Naujas rekordas. Iš Ispanijos atvykęs fizikas Lietuvoje padarė kai ką neįtikėtino

Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC) pasaulyje garsus terahercų tyrimais. Terahercai – tai plika akimi nematomos elektromagnetinės bangos, spektro ruože „įsitaisiusios“ tarp mikrobangų ir infraraudonosios spinduliuotės. Vienos bangos ilgis gali svyruoti nuo 3 milimetrų iki 30 mikrometrų (tūkstantinės milimetro dalies).

Terahercai išbandomi saugumo, pakuočių tikrinimo, medicinos ir kitose įvairiose srityse. Šios elektromagnetinės bangos taip pat taikomos bangolaidžiuose – ir štai prieš keletą savaičių nutikęs įvykis FTMC padeda pamatus kurti spartesnėms komunikacijoms bei lengvesniam medžiagų sudėties nustatymui.

Kas yra bangolaidis?

Fizikas dr. Irmantas Kašalynas vieną vėlyvą ketvirtadienio vakarą atėjo į savo vadovaujamą FTMC Terahercinės fotonikos laboratoriją ir pajuto, kad vyksta kažkas svarbaus: „Pamačiau iš džiaugsmo švytinčius kolegų veidus. Jie pranešė, kad tai, ką planavome keturias savaites, pagaliau pavyko įgyvendinti.“

Ashishas Kumaras, Karolio III universiteto Ispanijoje doktorantas, FTMC praleido ilgiau nei mėnesį. Ir štai patį paskutinį vakarą pasiektas proveržis – jis sėkmingai pademonstravo bangolaidį, kuris geba perduoti daugiau nei 100 gigahercų juostos pločio signalą. „Tai naujas būdas ir, sakyčiau, naujas tokio tipo rekordas komunikacijų srityje“, – sako I. Kašalynas.

Juostos plotis – tai skirtumas tarp aukščiausio ir žemiausio dažnių, kuriais perduodama informacija.

O bangolaidis yra komponentas, skirtas elektromagnetinėms bangoms perduoti iš vienos vietos į kitą praktiškai be nuostolių. Analogas matomo spektro bangoms (šviesai) perduoti yra šviesolaidis – tik terahercų bangolaidžiai dažniausiai būna metaliniai, įvairių formų. Kalbant paprastai, tai yra tarsi vamzdis, kuriame keliauja elektromagnetinės bangos (radijo bangos, mikrobangos ir t. t.). Viskas veikia „veidrodinio“ atspindžio principu: kai bangos patenka į bangolaidį, jos sklinda juo atsispindėdamos nuo vidinių sienelių ir šitaip zigzagu keliauja, kol pasiekia išėjimo vietą ir kitą įrenginį, tokį kaip plyšys, antena, šakotuvas, imtuvas ar detektorius.

Bangolaidžiai būna sukurti tam tikram dažnių diapazonui, kad kuo efektyviau (ir su kuo mažesniais nuostoliais) nukreiptų ir perduotų specifinius elektromagnetinių bangų tipus. Vienas iš labiausiai buitiškų pavyzdžių – tai mikrobangų krosnelė, kurioje įrenginys magnetronas generuoja mikrobangas, o jos per bangolaidį nukreipiamos į krosnelės vidų, kur pašildomas maistas.

FTMC Optoelektronikos skyrius užsiima terahercų (vienų iš elektromagnetinių bangų tipų) tyrimais. Pavyzdžiui, čia jie taikomi spektroskopijoje – o tai yra metodas tiriantis medžiagų cheminę sudėtį bei struktūrą, į jas šviečiant (šiuo atveju) terahercines bangas.

Ashishas su kolega, FTMC doktorantu Surya Revanth Ayyagari, netgi spėjo atlikti tam tikrų medžiagų spektroskopiją, panaudodami ištobulintą bangolaidį.

Atpažinti medžiagas ir saugiai komunikuoti

Kaip sako jaunieji fizikai, tai – tik pradžia. Laukia daugybė naujų eksperimentų, o ir pats terahercų bangolaidis kol kas yra vos dviejų centimetrų ilgio. Tačiau gauti rezultatai teikia nemažai vilčių.

Kokia yra didžioji Ashisho naujovė? Kaip minėta, kiekvienas bangolaidis yra skirtas veikti tam tikrame dažnių diapazone. Terahercų srityje vadinamasis centrinis dažnis (kuriam bangolaidis suprojektuotas optimaliai veikti) būna 100 gigahercų (GHz). Tai reiškia, kad jis geriausiai savo darbą atliks, kai jame sklis bangos nuo 90 iki 110 GHz, o veikimo diapazonas bus 10 procentų (į vieną ar į kitą pusę nuo „gamyklinio“ centrinio dažnio). Jeigu nukrypsi nuo šios normos – bangolaidis jau neveiks.

„Laisvoje erdvėje sklinda visų dažnių elektromagnetinės bangos, tai būtų be galo platus spektro diapazonas. Problema – kaip sukurti bangolaidį kuris veiktų kuo platesniame diapazone, nes nuo seno naudojami bangolaidžiai, kurių veikimas šiuo atžvilgiu yra labai „siauras“, – aiškina I. Kašalynas.

Todėl kilo idėja sukurti bangolaidį, kurio dažnių juosta (signalo perdavimo diapazonas) būtų 100 GHz pločio ar net platesnė. „Tai reiškia, kad mes žymiai viršijame įprastą 10 proc. ribą ir siekiame turėti 2–3 kartus platesnį diapazoną . Nuo 10 proc. pereiname prie 100–200 proc.! Bangolaidyje vis dar veikia elektromagnetinės bangos (šviesos) perdavimo principai, tačiau dabar galime perduoti signalus daug platesniame spektro diapazone“, – teigia FTMC fizikas.

Būtent tai paskutinį praktikos vakarą ir pavyko pademonstruoti A. Kumarui. „Ant vieno dielektrinio (pastovios elektros srovės nepraleidžiančio) strypelio pasiekėme labai plačią, kelių oktavų dažnių pločio juostą, todėl tai – tikrai svarbus žingsnis, kuris pravers spektroskopijoje, naujos kartos komunikacijų srityje, jutiklių kūrime. Atsiveria plačios pritaikymo galimybės“, – džiaugiasi Ashishas.

Kaip tai padės spektroskopijoje, cheminių medžiagų aptikime? Pasak pašnekovų, čia suveikia vadinamasis nykstantis laukas (angl. „evanescent field“). Jis atsiranda, kai elektromagnetinė banga sklinda medžiagos paviršiumi (terahercų bangolaidžio atveju – jo išoriniu paviršiumi), ir to lauko stiprumas greit silpnėja tolstant statmena kryptimi nuo paviršiaus. Taip nutinka, kai dalis elektromagnetinės bangos, judančios bangolaidyje, pradeda sklisti ir jo išorėje. Svarbu, kad nykstantis laukas labai jautrus aplinkai.

„Nykstantis laukas susidaro riboje tarp oro ir medžiagos. Jei į tą lauką patenka kokios nors kitos medžiagos, įvyksta sąveika, ir medžiaga lauke palieka savo „pirštų atspaudus“. Tai naudinga spektroskopijoje, tačiau galėtume svarstyti ir apie jutiklius ar greituosius testus“, – pasakoja A. Kumaras.

Jis priduria, kad ši technologija gali sukelti proveržį ir komunikacijų srityje, žymiai sparčiau perduodant duomenis:

„Nuostoliai šiuose terahercų bangolaidžiuose yra labai maži, taigi, jei juos naudotume elektromagnetinių bangų perdavimui, ne tik didžioji informacijos dalis pasieks tikslą, bet ir sumažės sugertis iš atmosferos, kuri atviroje erdvėje yra gana reikšminga terahercams.

Be to, šioje bangolaidžių sistemoje būtų galima perduoti aukštesnius dažnius, pvz., 500 GHz, kas leistų naudoti didelės spartos duomenų perdavimą. Ateityje, kai mums reikės terabaitų spartos (pavyzdžiui, vieno ar dešimties terabaitų per sekundę), šie bangolaidžiai bus būtini. Ateityje mums reikės didesnės spartos, kad galėtume palaikyti mūsų dabartines sistemas ir programas, nes vartotojo sąsajos greitai tobulėja. Tad nauji bangolaidžiai ir antenos gali tikrai padėti šioje srityje.“

Dr. I. Kašalynas pasakoja apie idėją bangolaidžius naudoti saugiai komunikacijai ilgoms distancijoms:

„Panašiai kaip šviesolaidžiai, kurie naudojami sujungiant vieną tašką su kitu, bangolaidžiai taip pat perduoda informaciją ir ją nukreipia konkretiems vartotojams, šitaip sudarant galimybę jiems tarpusavyje bendrauti. Tik šiuo atveju niekas negalėtų girdėti, apie ką vartotojai kalbasi. 

Skirtingai nuo antenų, kurios turi būti „matomos“ viena kitai, kad galėtų veiksmingai perduoti signalus, bangolaidžiai gali tai daryti saugiai, net jei yra išdėstyti aplink kliūtis, tokias kaip sienos ar žemė.

Be to, skirtingai nuo šviesolaidžių, bangolaidžiai galėtų perduoti daugiau informacijos. Pavyzdžiui, jei turėsime 100 GHz diapazoną, tai reiškia, kad vienu metu galėsime perduoti signalus milijardui vartotojų. Dėl šios priežasties mums reikalingas kuo didelis spektrinis diapazonas komunikacijai.“

Pagalba jauniesiems mokslininkams

Ashishas Kumaras užaugo Indijoje, nuo mažens domėjosi elektronika ir optika. Po magistro studijų Kinijoje, jis susidomėjo spektroskopija ir dabar studijuoja doktorantūrą Ispanijoje.

Jaunojo fiziko praktika FTMC – tai ES finansuojamo Marie Sklodowskos-Curie projekto TERAOPTICS dalis. Į šį jaunųjų mokslininkų rengimo tinklą susibūrė 15 partnerių (universitetų, mokslinių institucijų, verslo atstovų) ne tik iš Europos, bet ir iš JAV bei Japonijos. TERAOPTICS skatina terahercinės optikos tyrimus komunikacijų, kosmoso pramonės, saugumo, radioastronomijos bei medžiagotyros srityse.

Paruoštoje programoje darbuojasi penkiolika doktorantų ir jaunųjų tyrėjų, kurie vyksta pas partnerius į kitas šalis, atlieka praktiką ir įgytas žinias panaudoja rašydami daktaro disertacijas. A. Kumarui išvykus atgal į Ispaniją, TERAOPTICS projekto rėmuose darbus tęsia fizikos talentas iš Indijos Surya Revanth Ayyagari, kuris FTMC tobulina terahercinių bangų eksperimentams skirtus lęšius ir yra dr. Irmanto Kašalyno doktorantas.

Rinktis studijuoti doktorantūrą FTMC kviečia jau dabar – šiuo metu vyksta paraiškų priėmimas, o jauniesiems talentams iš Lietuvos bei užsienio siūloma daugiau nei 50 disertacinių temų fizikos, chemijos ir medžiagų inžinerijos srityse.

Simonas Bendžius, Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC)