Новый инструмент для секретных агентов – и для всех нас

Учёные Калифорнийского института технологии создали дешёвый крошечный микрочип, который способен генерировать и излучать высокочастотные электромагнитные волны терагерцового диапазона. Этот диапазон лежит в практически неиспользуемой части электромагнитного спектра – между микроволнами и далёким инфракрасным излучением – и его волны могут проникать практически через любой материал без ионизирующего повреждения, свойственного рентгеновскому излучению.

Будучи интегрированными в портативные устройства, новые микрочипы имеют большое количество применений – от систем безопасности до беспроводных коммуникаций и здравоохранения. В будущем такая технология может привести, среди прочих возможных применений, к появлению новых неинвазивных методов диагностирования рака.

Учёные уже давно исследовали потенциал терагерцовых волн в диапазоне от 0.3 до 3 терагерц для сканирования и получения изображений. Такие волны легко проникают сквозь упаковочный материал и выдают изображение в высоком разрешении, а также могут обнаруживать химические отпечатки фармацевтических наркотиков, биологического оружия и взрывчатых веществ. Однако большинство существующих на сегодняшний день терагерцовых устройств требуют тяжёлых и дорогих лазерных установок и иногда – сверхнизких температур. Потенциал терагерцовых волн был практически недоступен из-за отсутствия компактной, экономичной технологии, которая бы позволяла работать в данном диапазоне.

Новые микрочипы способны генерировать сигналы в тысячи раз более сильные, чем любая из существующих технологий, и излучают терагерцовые волны, которые могут динамически программироваться для направления в конкретную точку, что делает их первыми в мире интегрированными терагерцовыми сканерами.

С помощью такого сканера учёные могут, к примеру, обнаружить лезвие бритвы в куске пластика, или определить содержание жира в биологических тканях.

Разработчикам чипа пришлось преодолеть множество препятствий на пути его создания – начиная уже с того, что кремниевые чипы просто не предназначены для работы в терагерцовом диапазоне. Фактически, каждый транзистор имеет частоту, известную как частота среза, при превышении которой он перестаёт усиливать сигнал – и ни один из существующих стандартных транзисторов не может усиливать сигнал, лежащий в терагерцовом диапазоне.

Для преодоления частоты среза, учёные использовали силу многих транзисторов, работающих в унисон. Если множество элементов управляются с правильным таймингом и правильными частотами, их совокупная мощь может быть скомбинирована, что позволит усилить общий сигнал.

Также они разработали способ излучения терагерцового сигнала после его генерации. На таких частотах невозможно использовать провода, а традиционные антенны в масштабах микрочипа неэффективны. Решение, которое было найдено – это превратить весь микрочип в антенну. Опять таки с помощью распределённого подхода, учёные интегрировали множество мелких металлических сегментов в чип, которые при управлении с определённым таймингом и определённой силой позволяют излучать скомбинированный сигнал.