Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали и создали плазмонный интерферометр терагерцевого диапазона — прибор, который с высокой точностью способен определять оптические свойства материалов. Эта актуальная научно-технологическая задача позволит быстрее перейти в область терагерцевых частот в сфере телекоммуникаций. Терагерцевые частоты, в отличие от широко используемых СВЧ, способны передавать с большей скоростью больший объём данных, до 1 Тбит/с. Разработанный физиками плазмонный интерферометр уникален — для изучения оптических свойств металлов и полупроводников, на основе которых создаются интегральные компоненты для систем беспроводной связи, используются не классические электромагнитные волны, а поверхностные плазмон-поляритоны. Эта разновидность не излучаемой в пространство электромагнитной волны распространяется по поверхности материала вместе с волной свободных зарядов, которая способна более точно характеризовать поверхностные свойства изучаемых образцов на глубине скин-слоя. Интерферометр успешно протестирован на Новосибирском лазере на свободных электронах (ЛСЭ), входящем в инфраструктуру ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцевого излучения» (ЦКП СЦСТИ). Результаты опубликованы в журналах Instruments and Experimental Technichs и Applied Sciences. Современные устройства передачи и обработки сигналов, например, 4G, работают на сверхвысоких частотах (СВЧ). Средний объём передачи и скорость обработки данных в этом микроволновом диапазоне в зависимости от класса устройств варьируется от 0,5 до 100 Гбит в секунду. Чтобы увеличить этот параметр специалисты осваивают терагерцевый (ТГц) диапазон. Разрабатываемые в настоящее время телекоммуникационные устройства ТГц диапазона, в том числе системы беспроводной связи, такие как 6G, смогут увеличить это значение до 1 Тбит/с. «И это только одна из областей применения терагерцевых волн, — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Василий Герасимов. — ТГц-диапазон привлекателен для биологии и медицины. Например, за рубежом активно развивается диагностика офтальмологических заболеваний и онкологических заболеваний кожи при помощи терагерцевых волн. Прозрачность большинства пластиков, бумаги и тканей для ТГц-излучения позволяет использовать его для обнаружения скрытых предметов, что актуально для систем безопасности. Терагерцевые телескопы используются для изучения реликтового космического излучения, что позволяет получать больше информации о ранних этапах жизни Вселенной. Использование терагерцевой спектроскопии позволяет диагностировать и исследовать различные новые материалы, в том числе наноразмерных масштабов». Cтарший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Василий Герасимов Cтарший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Василий Герасимов Актуальные исследования физиков ИЯФ СО РАН нацелены на изучение материалов, из которых возможно создавать так называемые планарные интегральные пассивные и активные плазмонные схемы, в которых сигнал передается в виде поверхностных электромагнитных волн — плазмон-поляритонов. При проектировании таких схем необходимо знать оптические свойства металл-диэлектрических и полупроводниковых поверхностей, на которых они создаются. Для этой задачи специалисты разработали и создали плазмонный интерферометр Майкельсона, работающий в ТГц диапазоне. «Плазмон — это фактически колебания ансамбля электронов, а поляритон — это фотон, квант электромагнитного излучения. Получается, что плазмон-поляритон — это связанный комплекс из классической электромагнитной волны и волны зарядов (электронов или ионов), который не излучается поверхностью в пространство, а двигается вдоль неё, — объясняет Василий Герасимов. —Плотно прилегая к поверхности проводника, такая волна на очень небольшую глубину (порядка десятка нанометров) проникает в материал, поэтому свойства плазмон-поляритонов, а значит энергоэффективность плазмонных схем и качество передаваемой с их помощью информации, сильно зависит от оптических свойств приповерхностного слоя материала и его покрытий, из которых делаются интегральные схемы. И тут встает задача — а какие материалы использовать? Многие стандартные материалы: металлы, полупроводники хорошо исследованы (даже в терагерцевом диапазоне), но только сделано это с помощью классических спектроскопических методов с использованием объёмного излучения, взаимодействующего с исследуемой средой. Получаемые данными методами результаты несут информацию в основном об объёмных свойствах материала, а не о поверхностных, которые важны для плазмоники. Экспериментально изучить оптические свойства материала при помощи поверхностной волны и получить более точную информацию о характеристиках образца довольно сложно. Во-первых, нужен достаточно мощный, стабильный и перестраиваемый по частоте источник ТГц-излучения, а, во-вторых, необходимо решить многие экспериментальные проблемы». Учёным ИЯФ СО РАН совместно с группой из Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (НТЦУП РАН, г. Москва), которые в самом начале явились инициаторами данных исследований, удалось справиться со многими задачами благодаря целенаправленной систематической работе и полученному экспериментальному опыту, а также наличию в инфраструктуре Института Новосибирского лазера на свободных электронах. Мощный терагерцевый ЛСЭ является одной из главных пользовательских установок ЦКП «СЦСТИ». Средняя мощность излучения этого лазера в ТГц диапазоне является рекордно большой в мире, и, по-видимому, останется такой в ближайшее время. По спектральной плотности мощности излучения Новосибирский ЛСЭ в области частот 0.8-10 ТГц на несколько порядков превосходит все существующие в мире источники. «Многие отечественные и зарубежные научные группы занимались исследованиями в области ТГц плазмоники c семидесятых до 2000-х годов, но прекратили, так как столкнулись с большими экспериментальными сложностями. Поэтому наши работы в данной области можно считать пионерскими, — добавляет Василий Герасимов. — Впрочем, у нас это заняло очень много времени. Мы начали вести фундаментальные исследования плазмон-поляритонов в терагерцевом диапазоне вместе с сотрудниками НТЦУП РАН более десяти лет назад, и только первые несколько лет мы учились генерировать поверхностную ТГц волну и отделять ее от классической электромагнитной волны. На сегодняшний день мы умеем генерировать плазмоны, управлять их распространением и характеристиками, изучили, как эти характеристики зависят от оптических свойств, шероховатости и геометрии поверхности. Таким образом, из фундаментальных работ по исследованию свойств поверхностных плазмон-поляритонов, по кирпичикам, получилось разработать уникальное оборудование — плазмонный интерферометр Майкельсона ТГц диапазона частот». Оптическая схема полной установки из двух интерферометров, одним из которых является плазмонный Оптическая схема полной установки из двух интерферометров, одним из которых является плазмонный