Lietuvos mokslininkai – pasaulinių terahercų fizikos tyrimų priešakyje

Terahercų fizika

Kas yra terahercų fizika? Kaip rodo pats pavadinimas, jos objektas yra procesų, vykstančių teraheciniame elektromagnetinių bangų dažnių diapazone, tyrimas. Tera – tai vienetukas su dvylika nulių (trilijonas arba milijonas milijonų). Tai daug ar mažai? Pats THz mokslo įdomumas, o kartu ir jo sunkumas, slypi šio klausimo atsakyme: ir daug, ir mažai. Fotonams (šviesos dalelėms) tai yra labai mažai, o elektronams tai yra labai daug. Pasiaiškinkime detaliau.

Elektromagnetinės bangos yra be galo įvairios – nuo radijo bangų iki gama spindulių. Iš viso spektro mums geriausiai pažįstamas matomasis šviesos diapazonas. Sklindant šviesai elektrinis ir magnetinis laukai virpa apie tūkstantį trilijonų (vienetukas su penkiolika nulių) kartų per sekundę. Šiek tiek lėčiau šie laukai virpa infraraudonojoje (šiluminėje) spinduliuotėje. Terahercinė spinduliuotė atitinka bangas su dar mažesniu virpesių dažniu.

Vienas iš kertinių THz fizikos uždavinių yra pagaminti efektyvius THz šaltinius. Rodos – argi tai sunku? Iš mokyklos fizikos kurso žinome, kad visi įkaitę kūnai spinduliuoja elektromagnetines bangas, ir kuo kūnas labiau įkaitęs, tuo aukštesnio dažnio bangas skleidžia. Pvz., šiltas metalas iš pradžių spinduliuoja tik infraraudonojoje spektro dalyje, labiau įkaitęs paraudonuoja, esant dar aukštesnei temperatūrai pradeda melsvėti, ir t.t. Bėda ta, kad visi kambario temperatūros kūnai – kėdė, stalas, sienos – spinduliuoja tiek infraraudonajame, tiek terahercų ruože. Vadinasi, negalime padaryti THz šaltinio kaip lemputės, kad jis pradėtų šviesti pakaitinus, nes visa aplinka jau ir taip yra „karšta“, prisipildžiusi įvairiausios spinduliuotės. Tad reikia gudresnių būdų norint pagaminti funkcionalų šaltinį.

To siekdami, galėtume sekti pavyzdžiais žinomais iš kitų technologijos sričių, pvz. optikos. Vienas iš pačių efektyviausių koherentinės matomos šviesos generavimo šaltinių yra lazeriai. Jų veikimas iš esmės pagrįstas nepusiausvyraisias elektroniniais vyksmais – vadinamąja stimuliuota emisija. Deja, terahercinių bangų generavimui labai sunku panaudoti panašius principus dėl tos pačios priežasties – kadangi visi aplinkos kūnai spinduliuoja THz ruože, nelengva sukurti nepusiausvyrinę koherentinę spinduliuotę tame dažnių ruože, kuriame ji atitinka pusiausvyrinę, nekoherentinę spinduliuotę. Chaotiniai, atsitiktiniai procesai visuomet trukdys sukurti lazerinei spinduliuotei reikalingas sąlygas. Todėl prieiname išvadą, jog fotonų, t. y. elektromagnetinės spinduliuotės kvantų, požiūriu, THz yra labai mažas dažnis.

Tuo tarpu elektronams šis dažnis – labai didelis. Kad tuo įsitikintume, prisiminkime, kad pačių greičiausių šiuolaikinių kompiuterių procesorių taktinis dažnis yra keletas GHz, t.y. tūkstantį kartų mažiau, nei THz.

Štai iš čia ir kyla THz fizikos savitumas ir pagrindiniai uždaviniai. Kuriant optinius THz spinduliuotės generacijos ir detekcijos būdus būtina pergudrauti gamtą, išvengiant šiluminių efektų. O jei spinduliuotę norima generuoti ir detektuoti tik elektronikos pagalba, reikia be galo greitų prietaisų, greitesnių, nei patys greičiausiai šiuolaikiniai kompiuteriai. Per pastaruosius du dešimtmečius ir vienoje, ir kitoje srityje įvyko labai daug svarbių proveržių.

Apie THz mokslą ir jo pasiekimus Lietuvoje pasikalbėjome su Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) direktoriumi, Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Puslaidininkių fizikos katedros profesoriumi Gintaru Valušiu. Šiuo metu terahercų fizika ir spektroskopija, o ypač puslaidininkinių nanodarinių taikymas šio dažnių ruožo prietaisams kurti yra profesoriaus pagrindinė mokslinė tema. G. Valušis vadovauja mokslinei grupei, kuriai pavyko padaryti svarbių darbų THz jutiklių bei vaizdinimo technologijos srityje. Apie tai byloja daug solidžių mokslinių straipsnių ir ilgas sąrašas kviestinių pranešimų, skaitytų Vokietijoje, Prancūzijoje, Lenkijoje, Suomijoje, Anglijoje, JAV, Pietų Korėjoje, Japonijoje. Grupės darbus rėmė ir remia Europos Sąjungos ir NATO mokslinės programos, Europos Gynybos agentūra, Alexander von Humboldt fondas (Vokietija), CNRS (Prancūzija), amerikiečių EOARD agentūra, taip pat Lietuvos mokslo taryba bei Mokslo inovacijų ir technologijų agentūra.

Quo vadis THz, arba terahercų taikymas bei iššūkiai

Kuogi įdomūs terahercai? Manoma, kad THz mokslas itin svarbią reikšmę turės medžiagotyrai ir saugumo sistemų kūrimui.

Prie pirmosios srities turėtume priskirti kietųjų medžiagų spektroskopiją. Puslaidininkinėse medžiagose esantys laisvieji elektronai sugeria THz dažnio elektromagnetinę spinduliuotę, todėl puslaidininkių THz spektrai gali labai daug pasakyti apie elektronų tankį, elektrinį laidumą, ir t.t. Panašios prietaikos numatomos chemijoje, biologijoje, medicinoje ir farmacijoje. Kiekviena molekulė turi savitą THz spinduliuotės sugerties spektrą, tad THz spektrometrija palengvins cheminių ir biologinių darinių identifikaciją. THz spektrometrija neišstums plačiai naudojamos infraraudonosios spektrometrijos. Priešingai, THz spektrometrija išplės cheminei analizei prieinamą dažnių ruožą. Kita panaši prietaika – tai pavojingų ar nuodingų medžiagų detekcija. THz spektrometrai gali būti labai spartūs, todėl jais labai gretai bus galima užfiksuoti, pvz., atmosferoje esantį anglies monoksidą.

Su medžiagų charakterizavimu ir detekcija susijusi prietaika yra vaizdinimas. Kadangi terahercinė spinduliuotė lengvai skverbiasi pro įvairias kartonines ir popierines pakuotes, atsiranda galimybė „matyti“ juose paslėptus daiktus. Pvz., pašto vokus (jų neatplėšiant) ar lagaminus oro uostuose, ir identifikuoti galimus pavojingus objektus. THz pagalba galima pasiekti gerokai didesnę skyrą, nei mikrobangomis.

Antroji svarbi sritis, kur THz dažnio prietaisai galėtų būti plačiai naudojami, yra ryšių pramonė. Kaip minėjome, optinėms bangoms sklindant erdve elektromagnetinis laukas virpa tūkstantį trilijonų kartų per sekundę. Tad visai nenuostabu, kad matoma šviesa informaciją galima perduoti be galo greitai. Greičiausiais optiniais kabeliais įmanoma persiųsti virš vieno tera-bito per sekundę (t.y. TB talpos kietasis diskas būtų pripildytas per kelias sekundes!). Tuo tarpu šiuolaikinė bevielė komunikacija remiasi mikrobangomis, todėl bevielės informacijos greičiai yra gerokai mažesni. Tipiški modemai (pvz., tas, kurio pagalba jūsų kompiuteris yra prisijungęs prie interneto), gali perduoti apie 100 Mb per sekundę, t.y. milijoną kartų mažiau. To priežastis – santykinai mažas mikrobangų dažnis. Naudojant THz dažnius šie greičiai gali būti iki tūkstančio kartų didesni.

Nors šiuo metu jau egzistuoja komerciniai THz bangų šaltiniai ir jutikliai, jie dažniausiai gana brangūs ir fiziškai dideli. Tad viena iš svarbiausių šio mokslų uždavinių yra kompaktiškų ir pigių šaltinių ir jutiklių kūrimas, o taip pat kompaktiškos THz vaizdinimo technologijos, tinkamos darbui kambario temperatūroje, vystymas. Labai pageidautina, kad tokia technologija galėtų ne tik pastebėti paslėptus daiktus, bet ir juos atpažinti.

Pradžia – keisti elektronų virpesiai

Gintaras Valušis – aukštaitis iš Ukmergės krašto. Studijavo Vilniaus Universiteto fizikos fakultete, o doktorantūros metu dirbo Puslaidininkių fizikos institute, vadovaujant prof. Steponui Ašmontui. Jo pirmasis susidūrimas su THz fizika įvyko 1995-1996-aisias, jau apgynus daktaro disertaciją, Drezdeno Technikos Universitete Vokietijoje podoktorantūrinės stažuotės metu. Tuo metu, vadovaujant prof. Karlui Leo, kartu su kolegomis Gintaras tyrinėjo vadinamąsias Blocho osciliacijas (virpesius) puslaidininkiuose. Šios osciliacijos – labai įdomus kvantinis efektas, neturintis analogų klasikinėje fizikoje.

Jį galima paaiškinti taip. Iš mokyklos fizikos programos žinome, jog patalpinus įelektrintą dalelę elektriniame lauke, pagal antrąjį Niutono dėsnį ji ims judėti pastoviu pagreičiu, t. y. vis greitėjančiai. Bet elektronas kristaluose ne visuomet elgiasi kaip mažas rutuliukas. Kvantiniai objektai turi ne tik dalelės, bet ir bangos savybių, o bangoms būdingi tokie reiškiniai, kaip difrakcija ir interferencija. Tokiu būdu, nors ir skamba neįprastai, elektronas kristalinėje aplinkoje tam tikra prasme sąveikauja pats su savimi taip, kaip kad vandens paviršiumi sklindanti banga. Ši sąveika labai keista, nes kai elektronas įsibėgėja, jis gali pradėti elgtis taip, lyg turėtų neigiamą masę! O antrasis Niutono dėsnis tuomet mums sako, kad tokiu atveju elektrinis laukas turi pradėti stabdyti elektroną. Šis pradeda lėtėti, galų gale sustoja, ir ima judėti priešinga kryptimi. Elektronas pamažu greitėja lėkdamas priešinga kryptimi, kol galų gale pradeda elgtis taip, lyg jo masė vėl būtų teigiama (kokia keista ta kvantinė fizika!). Panagrinėjus detaliau paaiškėja, kad esant tam tikroms sąlygoms pastoviame elektriniame lauke judantis elektronas atliks virpesinį judėjimą pirmyn-atgal. Tai ir yra tos Blocho osciliacijos, teoriškai numatytos šveicarų fiziko Felixo Blocho trečiajame XX amžiaus dešimtmetyje.

Tačiau viena yra numatyti reiškinį, kita yra jį stebėti. Užfiksuoti šiuos virpesius natūraliuose kristaluose labai sunku. Tai susiję su tuo, kad tokiose medžiagose elektronas turi nubėgti labai didelį atstumą nesklaidomas (fizikai tai vadina koherentiniu judėjimu), kad pakistų jo „masė“. O per tą laiką elektronas gali būti išmuštas iš įprastinių vėžių dėl sąveikos su kitais elektronais arba virpančiais gardelės jonais. Čia kaip gyvenime – kuo toliau nuo namų, tuo daugiau netikėtų susitikimų, kurie gali pakeist mūsų būseną – pvz., nuotaiką ar planus. Pasirodo, Blocho osciliacijas daug lengviau stebėti dirbtiniuose kristaluose, vadinamosiose puslaidininkinėse supergardelėse. Ten elektronai juda lėčiau, ir osciliacijų metų nespėja nulėkti toli, taip išvengdami sąveikos su kitais elektronais ir gardelės virpesiais (pagal mūsų analogiją – arčiau namų viskas pažįstama, mažiau netikėtų susidūrimų).

Būtent eksperimentą, beveik tiesiogiai „matantį“ erdvėje ir laike pirmyn-atgal bėgiojantį elektroną, ir pasiūlė bei sėkmingai atliko Gintaras Valušis su kolegomis. Mokslinis straipsnis buvo atspausdintas 1997-aisias prestižiniame fizikos žurnale „Physical Review Letters“. Šis eksperimentas, patekęs į ultrasparčiųjų vyksmų vadovėlius, yra tapęs vienu iš klasikiniu Blocho osciliacijų darbų. Šis reiškinys tiesiogiai siejasi su THz fizika ir technologija, nes dirbtinėse puslaidininkinėse supergardelės Blocho osciliacijų dažnis yra kaip tik apie keletas THz. Būtent sėkmingas darbo Drezdene etapas ir sudomino prof. G. Valušį THz fizika.

THz detektoriai ir vaizduokliai

Po Drezdeno grįžęs į Lietuvą, Puslaidininkių Fizikos Institutą, Gintaras Valušis vis daugiau savo mokslinių tyrimų skyrė terahercų fizikai. Tuo metu institute nebuvo tinkamos aparatūros, bet mokslinė terpė buvo paranki. Prof. Arūnas Krotkus aktyviai dirbo kurdamas ir tirdamas naujas medžiagas, kuriuose krūvininkai „gyvena“ labai trumpai, mažiau nei pikosekundę (trilijonąją sekundės dalį), o prof. S. Ašmontas ir kiti instituto mokslininkai jau turėjo įdirbį mikrobangų detektavime ir tyrime. Kiekvieno jauno mokslininko kelias yra pažymėtas keletu etapų: daktaro disertacija, vadovaujant patyrusiam mokslininkui, po to – podoktorantūrinė stažuotė, vėliau – savarankiškos mokslinės grupės kūrimas. Ši grupė turi save apsibrėžti, imtis mokslo klausimų, kurie yra nauji, iki tol nenagrinėti. Tik toks kelias užtikrina progresą. Žinoma, būtina, kad ir aplinkybės tam padėtų, tarsi palankiai stumtelėtų ta kryptimi.

„Man pasisekė, kad vienoje iš konferencijų susitikau J. W. Goethe universiteto profesorių Hartmutą G. Roskosą, vieną iš pasaulinių THz fizikos korifėjų. Jis mane pakvietė pasistažuoti pas save, paramą skyrė Humboldto fondas. 2000-aisiais vykdant projektą, skirtą THz dažnio reiškiniams puslaidininkinėse nanostruktūrose, atsirado daugybė kitų uždavinių, peržengusių pradinio projekto ribas. Frankfurte sutikau prof. Paulą Harrisoną iš Lydso universiteto (Anglija), su kuriuo taip pat užsimezgė labai glaudus bendradarbiavimas. Esu labai dėkingas prof. Hartmutui Roskosui už tą metą, už gausybę pamokų ir diskusijų – tai buvo neįkainojama“,– prisimena Gintaras.

„Grįžus į Lietuvą iš Frankfurto mokslinės tematikos buvo jau iškristalizuotos, o aplinkybės ir vėl palankiai susiklostė. Lietuva stojo į NATO, ir Krašto apsaugos ministerija skyrė lėšas optiškai kaupinam THz spinduliuotės lazeriui įsigyti. Laboratorijai pavyko laimėti NATO „Mokslas taikai“ projektą, skirtą plačiajuosčių jutiklių kūrimui. Laboratorijoje įvyko lūžis – pradėjo važiuoti užsieniečiai, pavyko padaryti ryškių darbų, kurie atvėrė duris kviestiniams pranešimams ir seminarams. Projektai sparčiai judėjo į priekį, atsirasdavo vis nauji. Padėjo tai, kad mūsų idėjos buvo naujos ir labai skirtingos nuo kitų terahercų fizikos grupių. Tuomet pasaulyje dominavo impulsinės optoelektroninės THz sistemos, kuriose buvo naudojami labai trumpus impulsus generuojantys lazeriai. Mes tuo tarpu eksperimentus vykdėme nuostovios veiklos režime. Man tuomet atrodė, kad optoelektroninėje THz spektroskopijoje dirba tiek daug mokslo korifėjų, jog tiesiog neužteks fantazijos su jais konkuruoti tarptautinėje erdvėje. O nuostovios veikos tyrimai – priešingai – atrodė labai neįprasti. Bet kaip paaiškėjo vėliau, vaizdinimui tai buvo vienas iš svarbiausių dalykų,“- prisimena Gintaras.

„Pradėjo burtis komanda iš gabių jaunų fizikų, kuri aktyviai dirba iki šiol. Šiuo metu FTMC Optoelektronikos skyriaus Terahercų fotonikos laboratorijos ašį sudaro dr. Irmantas Kašalynas, dr. Dalius Seliuta, dr. Janas Macutkevičius, doktorantai R. Venckevičius, L. Minkevičius, V. Jakštas, o taip pat būrys jaunesnių studentų. Laboratorija aktyviai bendradarbiauja su dr. Vincu Tamošiūnu, kuris daug dėmesio skiria prietaisų modeliavimo uždaviniams spręsti.“