Провода для терагерцевых компьютеров изобретены раньше остальных компонентов

«Мы сделали первый шаг к созданию схем, которые смогут использовать и посылать терагерцевое излучение, — говорит Аджай Нахата, руководитель исследования и адъюнкт-профессор электрической и компьютерной инженерии. — Со временем — как минимум через 10 лет — наше изобретение позволит разрабатывать сверхбыстрые схемы, компьютеры и коммуникации».

Электричество передается по металлическим проводам. Свет, используемый для передачи данных, посылается по оптоволоконному кабелю и расщепляется на различные цвета, или «каналы» информации с помощью так называемых волноводов. В работе, опубликованной 18 апреля в онлайн-журнале Optics Express, Нахата и его коллеги докладывают, что разработали листы фольги из нержавеющей стали с особой перфорацией, которые, словно провода, успешно передают, изгибают, расщепляют и соединяют терагерцевое излучение.

«Волновод, — говорит Нахата, — позволяет вам передавать электромагнитное излучение из одной точки в другую или распределять его на схему».

Если использовать терагерцевую радиацию в вычислительной техники и коммуникациях, то ее придется не только передавать из одного устройства в другое, «но и обрабатывать. Именно для этого необходимы терагерцевые схемы. Стратегическая цель — достичь возможности создавать схемы, работающие быстрее современных электронных микросхем, чтобы компьютеры и трансферы данных через интернет стали еще быстрее».

Проблема современных коммуникаций в том, что практически весь диапазон электромагнитного спектра уже активно используется теми или иными системами связи. Единственная незадействованная область — терагерцовая частота или далекое инфракрасное излучение, которое еще иногда называют Т-лучами, расположенное в спектре между средней инфракрасной областью и микроволнами. Именно поэтому инженерам так хочется задействовать эти частоты для коммуникаций, сверхскоростных вычислительных систем и даже для антитеррористических сканеров и сенсоров, способных опознавать биологическое, химическое и прочее вооружение. По словам Нахаты их исследование прежде всего относится к компьютерам, которые, используя терагерцевое излучение, смогут работать значительно быстрее современных.

Ученые использовали листы фольги из нержавеющей стали около 10 см в длину, 2,5 см в ширину и 625 микронов в толщину (в 6,25 раз толще человеческого волоса). Они перфорировали металл прямоугольными отверстиями, каждое размером 500 микронов на 50 микронов. Отверстия были расположены друг рядом с другом тремя различными рисунками, образуя тем самым «провода» для терагерцевого излучения.

Одна линия прямоугольников служила «проводом» и передавала терагерцевое излучение.

Раздваивающаяся линия (наподобие буквы «Y») служила для расщепления далекого инфракрасного света, наподобие сплиттера, который распределяет сигнал кабельного телевидения между разными приемниками.

Две линии, искривляющиеся по направлению друг к другу в середине, не соприкасаясь — нечто наподобие «)(» — используются, чтобы «сцепить» излучения, т.е. перевести его с одного «провода» в другой.

Прямой рисунок успешно передавал терагерцовое излучение по прямой. Два других рисунка изменяли направление излучения, расщепляя или сцепляя его. Исследование показало, что излучение находилось в тесных рамках как вертикально (не отклоняясь более чем на 1,69 мм от поверхности фольги), так и горизонтально (в пределах 2 мм от рисунка из прямоугольников во время прохождения над ними).

Когда терагерцевое излучение направляется в волноводы из нержавеющей стали, оно охватывает определенный диапазон частот. Одна из этих частот направляется по поверхности металла. Выбор частоты определяется размером перфораций в фольге. Инженеры выбрали ту частоту, которую могли генерировать и измерять: около 0,3 терагерца, или 300 гигагерц. Диапазон терагерцевой радиации простирается от 0,1 терагерца до 10 терагерц.

Устройство волновода подразумевает, что он передает терагерцевое излучение в форме поверхностных плазменных волн — известных также как плазмоны или плазмонные поляритоны — которые аналогичны электронам в электрических устройствах или фотонах в оптических. Поверхностные плазменные волны являются волнами электромагнитной радиации на терагерцевой частоте, «привязанными» к поверхности стальной фольги благодаря взаимодействию с подвижными электронами металла, — объясняет Нахата, проводивший исследование вместе с двумя докторантами, Вэньци Чжу и Амитом Агарвалом.

«Мы просто сделали провода. Теперь вопрос в том, как сделать девайсы [коммутаторы, транзисторы и модуляторы]».