Kuo mokslui pasitarnaus FTMC komandos sukurtas naujos kartos šiluminis šaltinis? (Foto)

Straipsnio autoriai – šios institucijos mokslininkai dr. Ignas Grigelionis, dokt. Vladislovas Čižas, dr. Mindaugas Karaliūnas, dr. Vytautas Jakštas, dr. Kȩstutis Ikamas, dr. Andrzej Urbanowicz, dr. Marius Treideris, dr. Andrius Bičiūnas, dr. Domas Jokubauskis, dr. Renata Butkutė ir dr. Linas Minkevičius.

Ekspertų tyrimų laukas šiuo atveju – terahercinės bangos ir jų pritaikymas jomis peršviečiant įvairiausius objektus. Ši mūsų akiai neregimoji šviesa gali pasitarnauti tokiose srityse kaip saugos sistemos oro uostuose, medicina, maisto kokybės tikrinimas ar net tolimų galaktikų stebėjimas.

FTMC Optoelektronikos skyriaus komanda užsiima teraherciniu vaizdinimu: pavyzdžiui, paimkime uždarytą kartoninę dėžutę su raktu viduje. Rakto mes nematome ir net nenutuokiame, kad jis ten gali būti. Tačiau, dėžutę peršvietę terahercų spinduliais, kompiuterio ekrane pamatysime vaizdą su aiškiai matomu rakto siluetu.

Terahercinės bangos sklinda nuo kiekvieno gyvo (arba šilto) dalyko Visatoje ir jos yra visiškai saugios – tad mokslininkai ieško sprendimų, kaip jomis pakeisti sveikatai pavojų galinčią kelti rentgeno spinduliuotę.

Lietuviai – tikri pasauliniai terahercų specialistai, o FTMC komanda neseniai pagamino metalęšį, kuris gerokai palengvina ir patobulina šiuos tyrimus. Apie tai (ir apie pačias terahercines bangas) daugiau skaitykite čia.

O kokia naujovė sukurta šįkart?

Pirmiausia reikia karščio

Kad būtų lengviau atsakyti į šį klausimą, pirmiausia trumpam pažvelkime, kas yra terahercinio vaizdinimo sistema ir iš ko ji susideda.

Kalbant labai paprastai, viskas prasideda nuo šaltinio, kuris skleidžia terahercus (šiuo atveju, moksliškai vadinamo „šiluminiu teraherciniu emiteriu“). Yra metalinė dėžutė, kurioje įmontuotas kaitintuvas (kažkas labai panašaus į virtuvėje naudojamą kaitlentę), o ant jo uždėtas mažytis specialiai apdirbtas elementas, kuris ir vadinamas šiluminiu šaltiniu. Įkaitintas iki maždaug 400 °C (dvigubai karščiau už įjungtą lygintuvą), jis ima šviesti terahercines bangas.

Ši spinduliuotė sklinda visur – tačiau laisviau tą daro pro skylę, esančią dėžutėje. Ji (su nuimtu „dangteliu“) atrodo šitaip:

Tuomet įrenginys, vadinamas vaizdinimo sistema, tuos spindulius „sugaudo“ (tam naudojami veidrodėliai ir kiti elementai, terahercus „perkošia“ specialus lęšis (arba FTMC sukurtas metalęšis), kuris spindulius gali „valdyti“ norima kryptimi.

Terahercai savo kelionę tęsia „atsimušdami“ į norimą skenuoti objektą – pavyzdžiui, minėtą dėžutę su raktu viduje. Galiausiai visas kliūtis įveikusius spindulius „pagauna“ detektorius – prietaisas, kurio dėka kompiuteryje pamatome pakeistą dėžutės (ar kito daikto) vaizdą.

FTMC Optoelektronikos skyriuje visa ši sistema atrodo taip:

Viskas veikia, ir veikia gerai. Tačiau galėtų būti dar geriau. Todėl dr. Ignui Grigelionui ir dokt. Vladislovui Čižui kartą kilo idėja patobulinti spinduliuotės šaltinį – tą kristaliuką, kuris skleidžia terahercus.

Sumuštinis, tik mažytis ir nevalgomas

„Norėjome, kad šiluminiai teraherciniai emiteriai būtų kompaktiškesni ir skleidžiantys stipresnę spinduliuotę mūsų norimuose dažniuose“, – pasakoja pagrindinis tyrimo autorius, FTMC Optoelektronikos skyriaus vyresnysis mokslo darbuotojas I. Grigelionis. Pasak pašnekovo, tam, kad būtų pagamintas plonytis šiluminis šaltinis, reikia skirtingas sritis išmanančių kolegų pagalbos.

„Šie šaltiniai dažniausiai daromi „sumuštinio“ principu: laboratorijoje ant metalo (įprastai vario) dedamas elektrai nelaidus sluoksnis, o tada – vėl metalinė struktūra.

Mūsų idėja – pradinį varį pakeisti legiruotu galio arsenido kristalu. „Legiruotas“ reiškia tai, kad jame yra priemaišų, kurios kristalui „duoda“ laisvųjų krūvininkų, taip padidindamos elektrinį laidumą medžiagoje.

Kolegės dr. Renatos Butkutės paprašėme, kad laboratorijoje užaugintų galio arsenidą – tiek legiruotą, tiek nelegiruotą, be priemaišų. Taigi, apačioje yra legiruotas kristalas, o ant jo užauginamas nelegiruotas, kuris jau nelaidus elektros srovei ir veikia kaip izoliatorius.“

Kai jau buvo paruoštas dviejų dalių „sumuštinis“, ant jo viršaus lazerinės litografijos būdu suformuoti tam tikri „raštai“ – auksiniai kvadratukai, kurių plotis siekia vos 40 mikronų, arba vos 4 proc. milimetro. Tokia struktūra vadinama metapaviršiumi: jis mokslininkams padeda valdyti terahercinę šviesą (apie daug žadančias metamedžiagas sužinoti galite minėtame ankstesniame straipsnyje).

Šita proceso dalimi pasirūpino FTMC Fizikinių technologijų skyriaus mokslininkai dr. Marius Treideris ir dr. Vytautas Jakštas. O metapaviršius pagaminamas iš aukso todėl, kad ši medžiaga puikiai praleidžia elektros srovę.

Galutinis trijų aukštų „namelis“ – legiruotas galio arsenidas, nelegiruotas galio arsenidas ir auksinis metapaviršius – nupieštas atrodo taip:

O realybėje šiluminio šaltinio pavyzdžiai yra tokie:

Kokią naudą duoda naujasis „sumuštinis“ vietoje senojo? Pasak I. Grigelionio, galio arsenido pagrindu sukurtas elementas spinduliuoja terahercus, kurie norimo dažnio diapazone yra stipresni ir „gausesni“, labiau koncentruoti. O toks stiprumas vėliau pagerina vaizdinimo kokybę.

Įsivaizduokime, kad beriame prieskonių ant patiekalo – tai darome plačiai, tačiau vienoje tikslioje vietoje jų paberiame gausiau. Panašiai bus ir su terahercų spinduliuote, kurią mokslininkai sustiprina reikiamoje „vietoje“.

„Prisiminkim paprastą kaitrinę lemputę. Ji taip pat yra šiluminis šaltinis, tik kiek kitoks. Vos du procentai šviesos, kurią ji išspinduliuoja, yra regimoji šviesa. Taip pat ji skleidžia infraraudonąsias bangas (todėl jaučiame karštį, palietę lemputę), dalis spinduliuotės patenka ir į terahercų sritį. Visa tai reiškia, kad lemputė šviečia labai platų elektromagnetinių bangų spektrą per daugybę dažnių. Tačiau mūsų tyrimams reikia konkretaus, siauro spektro.

Lygiai taip pat ir su terahercus spinduliuojančiais šaltiniais – norime pagerinti spindulines savybes tam tikrame siaurame spektro ruože. Kad tai įvyktų, šiluminiame šaltinyje ties pasirinktais dažniais reikia sužadinti rezonansą, sustiprinti šviesos elektromagnetinio lauko virpesius. Metalinis metapaviršius padeda parinkti rezonanso dažnį, o po juo esantis nelegiruoto bei legiruoto galio arsenido „sumuštinis“ –  tą rezonansą išlaikyti. Kitaip sakant, galime kontroliuoti šviesos stiprumą reikiamame dažnių tarpe,“ – sako Ignas.

Pasigaminę keletą kristalo bandinių, mokslininkai išmėgino, kaip jie veikia. Tam tikslui padėjo dr. Andrzej Urbanowicz, kuris išmatavo skleidžiamų terahercinių bangų atspindį.

Kas toliau?

Pasak Igno Grigelionio, pavykę eksperimentai teikia vilčių, kad terahercinio vaizdinimo sistema dar labiau patobulės – bus ne tik gaunami aukštesnės kokybės atvaizdai, bet ir pats įrenginys galės būti mažesnis ir patogesnis.

„Galio arsenidą galima integruoti su kitais optoelektroniniais elementais, skirtais terahercų sričiai. Kitaip sakant, viską įmanoma sumontuoti ant vieno lusto. O dirbant su variu, tai padaryti būtų sudėtinga.

Ateityje norime atsisakyti išorinio kaitintuvo ir supaprastinti sistemą: padaryti taip, kad šiluminis šaltinis kaistų pats, prie jo tiesiog prijungus laidus ir paleidus elektros srovę. Tai įmanoma, nes jo „pamatas“, padėklas yra legiruotas, elektrai laidus galio arsenidas. 

Mėginsime eiti toliau, kad mūsų sistema būtų ne tik paprastesnė, bet ir labiau kompaktiška. Turime mažą šiluminį šaltinį, kolegų dokt. Rusnės Ivaškevičiūtės-Povilauskienės ir dr. Lino Minkevičiaus sukurti metalęšiai taip pat yra plonyčiai. Dabar reikėtų pagaminti nedidelį terahercus „gaudantį“ detektorių. Tai būtų žymiai kompaktiškiau, vaizdinimo sistema vietoje viso stalo užimtų vos kreditinės kortelės dydžio arba dar mažesnę erdvę“, – tikisi FTMC mokslininkas.

Straipsnio žurnale „Sensors“ autoriai dėkoja Lietuvos mokslo tarybai, kuri skyrė finansavimą Jaunųjų mokslininkų projektui nr. S-MIP-22-76.

Simonas Bendžius, Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC)