Νέα > Επιστημονικά Νέα

Πηγή ακτινοβολίας THz ανοίγει νέες εφαρμογές σε τηλεπικοινωνίες και ιατρική

Ιαν 27, 2020

Ερευνητές του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) με επικεφαλής τον Καθηγητή Στέλιο Τζωρτζάκη ανέπτυξαν σε συνεργασία με το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης, μια πηγή ακτινοβολίας τέραχερτζ (THz) που ξεπερνά σε απόδοση κάθε άλλη γνωστή πηγή μέχρι σήμερα.

Η ακτινοβολία THz βρίσκεται στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1 έως 30 ΤΗz και αντιστοιχεί σε μήκη κύματος από 3 mm έως 10 μm. Η φασματική αυτή περιοχή βρίσκεται δίπλα στα μικροκύματα (γνωστά σε όλους από τις υπάρχουσες ασύρματες τηλεπικοινωνίες, 4G και 4G+) και είναι η περιοχή, η οποία θα χρησιμοποιηθεί στις επόμενες γενιές τηλεπικοινωνιών (6G και επόμενες) χάρη στην πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητά τους σε πληροφορία.

Εκτός από τις τηλεπικοινωνίες, η ακτινοβολία THz βρίσκει εφαρμογές στη χημεία, τη βιολογία, την ιατρική και την επιστήμη των υλικών. Επίσης, η ακτινοβολία THz μπορεί να διαπεράσει με ευκολία διάφορα υλικά όπως ρούχα, χαρτί και πλαστικό χωρίς όμως να είναι επιβλαβής για τον άνθρωπο, καθώς δεν είναι ιονίζουσα ακτινοβολία (σε αντίθεση με τις ακτίνες-X) και έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον έλεγχο ασφάλειας των αεροδρομίων, τη διαπίστευση ποιότητας τροφίμων και προϊόντων αλλά και τη μελέτη έργων πολιτιστικής κληρονομιάς.

Παρ’ όλες τις σημαντικές εφαρμογές, οι σημερινές πηγές THz χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα χαμηλή απόδοση, περιορίζοντας αισθητά τις δυνατότητες χρήσης τους. Οι πιο διαδεδομένες πηγές παραγωγής ισχυρής ακτινοβολίας THzβασίζονται στην αλληλεπίδραση υπερβραχέων παλμών λέιζερ διάρκειας μερικών φεμτοδευτερολέπτων (λιγότερο από ένα  εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου) με ειδικούς μη γραμμικούς κρυστάλλους. Το όριο θραύσης των κρυστάλλων αυτών, όμως, περιορίζει τη δημιουργία ισχυρών πηγών.

Η καινοτομία της έρευνας της επιστημονικής ομάδας του ΙΗΔΛ-ΙΤΕ, η οποία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications, έγκειται στη χρήση ισχυρών υπερβραχέων παλμών λέιζερ, με μήκος κύματος που βρίσκεται στο μέσο υπέρυθρο, και στην αλληλεπίδρασή τους με τον απλό αέρα. Η τεχνική αυτή επιτρέπει την παραγωγή παλμών THzακόμα και σε απομακρυσμένες αποστάσεις στην ατμόσφαιρα, ανοίγοντας νέους ορίζοντες εφαρμογών στις τηλεπικοινωνίες.

«Καταφέραμε για πρώτη φορά να μετατρέψουμε πάνω από το 2% της ενέργειας του λέιζερ σε ακτινοβολία THz, ξεπερνώντας κατά 100 φορές την αντίστοιχη απόδοση άλλων πηγών» αναφέρει ο Δρ. Αναστάσιος Κουλουκλίδης, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο ΙΗΔΛ-ΙΤΕ. Επιπλέον, με την τεχνική αυτή παράγονται ισχυρότατα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που ξεπερνούν τα 100 ΜV/cm (100 εκατομμύρια βολτ ανά εκατοστό) και τα 33 tesla (όσο μερικές χιλιάδες μαγνητάκια) αντίστοιχα. «Τα μαγνητικά αυτά πεδία είναι τόσο ισχυρά που θα μπορούσαν να ανυψώσουν έναν άνθρωπο… μόνο βέβαια για το χρόνο που διαρκεί ο παλμός THz, δηλαδή για 100 φεμτοδευτερόλεπτα!» δήλωσε ο Καθ. Στέλιος Τζωρτζάκης, επικεφαλής του εργαστηρίου Ultrashort Nonlinear laser Interactions and Sources του ΙΗΔΛ.

Με βάση τα νέα αυτά πειραματικά αποτελέσματα αλλά και τους θεωρητικούς υπολογισμούς της ερευνητικής ομάδας, διαφαίνεται ότι πολύ σύντομα θα μπορούν να παραχθούν παλμοί THzμε ακόμα μεγαλύτερες ενέργειες που θα επιτρέψουν και άλλες σημαντικές εφαρμογές, όπως είναι οι επιτραπέζιοι επιταχυντές ηλεκτρονίων και πρωτονίων, τόσο για βασική έρευνα στη σχετικιστική φυσική, όσο και στην ιατρική για θεραπευτικούς σκοπούς.

Δημοσίευση:
Anastasios D. Koulouklidis, et al., “Observation of extremely efficient terahertz generation from mid-infrared two-color laser filaments”, Nature Communications 11, 292 (2020). DOI: 10.1038/s41467-019-14206-x
 


Σχηματική αναπαράσταση της παραγωγής ακτινοβολίας THz μέσω της αλληλεπίδρασής ισχυρών υπερβραχέων παλμών λέιζερ με τον απλό αέρα