Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2003 № 02
Кожа словно из серебра, одежда — прозрачная, равно как и все вокруг. Сквозь стены и крышу видна черная тьма дневного неба… Так выглядит мир в терагерцовом диапазоне.
Терагерцовая «дыра»
Почему разговор о терагерцовом диапазоне зашел только сейчас, в начале XXI века, почему исследователи не освоили его раньше? Ведь они давно уже изучают электромагнитные колебания. Одна из причин состоит в том, что испытанные исследовательские технологии в данном случае малоприменимы.
Радиоизлучение, как известно, возникает за счет колебаний, скачков электронов, которые мечутся по цепи туда-сюда, совершая от сотен тысяч до сотен миллиардов колебаний в секунду. Однако, чтобы излучать электромагнитные волны в терагерцовом диапазоне, электроны должны скакать гораздо быстрее. Для этого нужно невероятно тщательно проектировать электрические цепи, иначе колебания попросту затухнут.
Схожие проблемы подстерегают и тех, кто рассчитывает построить терагерцовый лазер. В лазерах, напомним, используют свойства материалов генерировать излучение определенной длины волны. Если, скажем, возбудить газ, воздействуя на него световым лучом или электрическим разрядом, его электроны начнут поглощать энергию, перескакивая с одного энергетического уровня на другой, более высокий. Затем они возвращают избыток энергии, испуская фотоны. Однако, чтобы изготовить терагерцовый лазер, необходим материал, энергетические уровни атомов которого расположены очень близко друг к другу — примерно в 100 раз ближе, чем в тех, что используются, квантовых генераторах. Найти его не так-то просто.
В общем, не случайно специалисты называют эту малоизученную область спектра терагерцовой «дырой».
Обещания Тредикуччи
Один из возможных подходов в освоении терагерцового диапазона — создать необходимый материал, а не искать его в природе.
Некоторое время назад ученые выяснили, что «длину» энергетического перехода электрона можно менять, если задержать его в тонком слое полупроводникового материала, например, в арсениде галлия. Параметры перехода зависят от толщины слоя.
Теоретически можно создавать «нереальные» энергетические уровни. Надстроенные друг над другом, они образуют «суперрешетку», или синтетический кристалл, который действует как материал с искусственными энергетическими переходами. Его-то и можно использовать в качестве рабочего тела лазера.
В 1994 году Федерико Капассо из компании Bell Labs, что в Мюррей-Хил, штат Нью-Джерси, и Джером Фэйст, работающий в швейцарском Университете кантона Невшатель, построили лазер, основанный на суперрешетках. Он способен генерировать колебания в ранее недоступном центральном участке инфракрасного диапазона. Однако настоящий терагерцовый лазер оставался для ученых мечтой вплоть до самого недавнего времени.
Дело в том, что терагерцовое излучение обладает одним досадным свойством: материал, который генерирует волны, сам же их и поглощает. А какой смысл создавать суперрешетку, если она поглощает терагерцоеые волны еще до того, как они выйдут за ее пределы?
Однако в начале 2002 года Алессандро Тредикуччи из Национального центра нанонауки и нанотехнологии в Пизе, Италия, вместе со своими коллегами из Туринского политехнического института и Кембриджского университета предложил модель, в которой использован принципиально новый метод отвода излучения.
Подробности авторы не раскрывают, однако известно, что равномерно распределенные между слоями решетки волноводы успевают вывести часть излучения за ее пределы, прежде чем оно полностью затухнет.
Таким образом удалось сконструировать первый лазер, работающий на частоте 4,4 терагерца. Понятно, он еще далек от совершенства и работает только при температурах, не превышающих 30 градусов по шкале Кельвина. «Наша следующая цель — довести рабочую температуру лазера до азотного уровня, то есть до 77 градусов Кельвина, — объясняет Тредикуччи. — Хотя вырастить кристалл, который состоит из 1500 отдельных слоев, непросто, перспективы у нас неплохие. Соответствующую технологию — молекулярно-пучковую эпитаксию — уже широко используют в производстве электронных чипов для мобильных телефонов»…
Положение терагерцового диапазона в электромагнитном спектре.
Вместо рентгена
Еще один способ получения терагерцового излучения разрабатывают сотрудники небольшой фирмы Teraview, расположенной в предместьях Кембриджа.
В 80-е годы XX века ученые установили: если некоторые виды полупроводниковых кристаллов прожигать очень короткими импульсами лазеров видимого или инфракрасного диапазона, то они начинают испускать короткие вспышки терагерцовых волн. Именно это свойство полупроводников разрабатывают инженеры Teraview, чтобы затем исследовать молекулярный состав различных веществ.
Исследуемый объект будут облучать терагерцовым сигналом и по отраженному излучению определять его спектр поглощения. Поскольку терагерцовое поглощение является результатом действия межмолекулярных и внутримолекулярных связей, соединяющих как отдельные молекулы, так и их внутренние части, с его помощью можно не только идентифицировать сложные органические молекулы, но и выявлять их различные модификации, отличающиеся друг от друга по форме. Правда, пока сконструированная модель довольно громоздка — занимает всю поверхность рабочего стола. Однако разработчики обещают создать устройство размером с пульт дистанционного управления от обычного телевизора.
Ученые из Кембриджа продемонстрировали, что в терагерцовом диапазоне видны различные типы тканей, например, жир и мускулы в мясе. Можно обнаружить кариес зубов и даже зафиксировать процессы старения. Но наибольшую пользу от устройства ожидают в области ранней диагностики рака кожи.
Для создания терагерцовых лазеров используют многослойные структуры.
Всевидящее «око»
Впрочем, еще одна группа британских специалистов из лаборатории Rutherford Appleton Laboratory (RAL) в графстве Оксфордшир намерена удивить мир, создав видеокамеру, которая позволит увидеть окружающее «терагерцовыми глазами».
В прототипе камеры — 16 датчиков, которые образуют квадратную решетку. Каждый датчик состоит из двух частей: миниатюрной Т-образной антенны размером около одного миллиметра, которая принимает терагерцовые волны и преобразует их в электрический сигнал, и специальной «оптики», которая собирает и фокусирует прошедшее через объект излучение на антенну. Датчики работают на двух частотах — 0,3 и 0,25 терагерца, что, как считают ученые, позволит камере отличить один материал от другого.
Европейское космическое агентство, на долю которого выпала большая часть финансирования проекта, рассчитывает вскоре начать с помощью нового оборудования исследования терагерцового излучения звезд. Астрономы уверены, что с его помощью можно открыть множество невиданных еще галактик.
Кроме того, терагерцовой камерой весьма заинтересовались спецслужбы. Ведь для терагерцовых волн, как уже говорилось, прозрачны даже стены. С их помощью можно на расстоянии разглядеть спрятанное оружие, читать документы или письма, не вскрывая конвертов. А также наблюдать за людьми в их собственных домах.
Безусловно, многие будут против подобной «прозрачности». В частности, больше других подобными проблемами обеспокоены звезды кино- и шоу-бизнеса. «В самом деле, представьте, какие выразительные фотографии смогут украсить страницы бульварных журналов», — пишет по этому поводу журнал New Scientist.
Публикацию подготовил С.НИКОЛАЕВ
Кстати…
Конечно, вам интересно узнать, как обстоят дела с исследованием в терагерцовом диапазоне в нашей стране. Пока у наших ученых нет средств на соответствующую исследовательскую аппаратуру. Тем не менее, им удается изыскивать нетрадиционные возможности для ведения исследований.
Так, например, недавно в ФРГ состоялось присуждение премий имени Софьи Ковалевской 29 молодым иностранным ученым, в том числе и 6 нашим соотечественникам. Каждый из лауреатов может на протяжении трех лет работать в любом из университетов или научно-исследовательских институтов ФРГ над научной темой по своему выбору.
Вот что рассказал о себе и о своей работе один из российских лауреатов — Михаил Фегинов.
— Родился я в 1971 году в Минске. После окончания школы уехал в Москву, учился в МФТИ. После этого работал в Институте радиотехники и электроники. Начиная с 2001 года я работал в Германии, в техническом университете города Хемница. А теперь работаю в Дармштадте, тоже в техническом университете.
