Терагерцовый диапазон частот

Лауреат премии имени Софьи Ковалевской Михаил Фейгинов родился я в 1971-м году в Минске. После окончания школы он уехал в Москву, где учился в Московском Физико-техническом институте, а по его окончании, начиная с 1994-го года, работал в Институте радиотехники и электроники. Последний год Михаил работал в Германии, в Техническом университете Хемница, а сейчас он занимается исследовательской деятельностью в Техническом университете Дармштадта.

"Очень высокие частоты"

Тема проекта, над которым Михаил Фейгинов работал в Техническом университете Хемница и которым он будет теперь заниматься в Техническом университете Дармштадта, сформулирована так: «Исследование возможностей использования полупроводниковых структур как источников излучения в терагерцовом диапазоне частот». На вопрос, что же это за диапазон, Михаил отвечает лаконично:

- По-простому говоря, это очень высокие частоты.

Более подробное объяснение терагерцовом диапазону частот дает Виктор Кроцер, профессор физики Технического университета в Хемнице:

- Мегагерцовый диапазон хорошо всем нам известен, это радиосвязь, радиовещание и телевидение. Следующий за ним диапазон – гигагерцовый: на этих частотах работают спутниковые и мобильные средства коммуникации. Если мы сделаем сразу большой скачок, то попадём в область оптического излучения – теплового, то есть инфракрасного, видимого и ультрафиолетового. Ещё дальше – рентгеновское излучение и гамма-излучения. А в промежутке между радиочастотами и оптическим излучением как раз и находится диапазон, именуемый терагерцовым.

Как говорит Михаил Фейгинов, основная особенность этих частот в том, что они не исследованы, и сегодня практически не существует устройств, которые работали бы в этом диапазоне частот. Электроника за последние десятки лет развивалось в направлении увеличения частот, на которых эти устройства работают. Если говорить о компьютерах, то это напрямую связано с их быстродействием. Михаил поясняет:

- На сегодняшний день широко используются частоты в районе гигагерца – это частоты сотовой связи, это частоты, на которых работают процессоры в компьютерах. Если взять в 10 раз более высокие частоты, то этот диапазон уже в скором времени будет широко использоваться, а если иметь в виду частоты, на 2, 3 или 4 порядка более высокие, то тут возникает огромное количество как технических сложностей в использовании этих частот, так и фундаментальных физических проблем. На сегодняшний день вообще не понятно, удастся ли преодолеть эти трудности и сделать доступными устройства и источники излучения в этом диапазоне частот, то есть в районе от терагерца и выше.

Михаил Фейгинов

работает как над источниками излучения, так и над возможностью использования этих частот для идентификации биологических клеток или каких-то химических элементов. Это основано на том, что все они обладают некими резонансными частотами, и эти частоты можно детектировать, если иметь источник, излучающий в этом диапазоне частот.

- В принципе этой технологии можно найти огромное количество применений – и в биологии, и в химии, и в медицине. По крайней мере, все надеются, что это будет именно так. Но пока исследований в области применения этого диапазона частот выполнено мало, потому что нет источников.

"Всевидящая" технология

В том, что электромагнитное излучение в терагерцовом диапазоне частот может дать мощный импульс научным исследованиям в самых разных областях знаний, учёные не сомневаются. За примерами далеко ходить не надо. Как известно, молекулы любого вещества вибрируют, то есть совершают очень быстрые колебания. Каждое вещество обладает своей, присущей только ему сугубо индивидуальной частотой колебаний молекул, но все эти частоты лежат именно в терагерцовом диапазоне. Таким образом, разработка источников и приёмников колебаний соответствующих частот означала бы значительный прогресс в области спектрального анализа и позволила бы безошибочно идентифицировать любые известные науке вещества и соединения, где бы они ни находились, – будь то в живых клетках или в космосе.

Вооружённые такой терагерцовой технологией, радиоастрономы могли бы гораздо глубже постичь механизмы, управляющие процессами образования звёзд и галактик, выяснить, какую роль играет загадочное тёмное вещество – так называемая скрытая масса Вселенной, – а возможно, и ответить на вопрос о наличии жизни на далёких планетах. Недаром Европейское космическое агентство тесно сотрудничает с Техническим университетом Дармштадта. Правда, руководствуется оно при этом не столько намерением приступить к поискам жизни в других галактиках, сколько заботой о состоянии атмосферы нашей собственной планеты.

К одной цели разными путями

Но и для наблюдений за земной атмосферой агентству нужны источники высокочастотного излучения, а именно в здесь, в Дармштадте, группе физиков-экспериментаторов уже удалось создать резонансно-туннельные диоды диаметром менее 0,001 миллиметра, способные принимать и излучать электромагнитные волны частотой до 3-х терагерц. Это же обстоятельство побудило и Михаила Фейгинова избрать местом своей будущей работы именно Технический университет Дармштадта. Будучи физиком-теоретиком, он надеется, что его математические выкладки в сочетании с экспериментальными данными, добытыми в лабораториях Дармштадтского университета, помогут ему и его коллегам создать более совершенные генераторы терагерцовых частот:

- В мире существует не так уж много мест, где интенсивно проводятся исследования в этой области. Дармштадт – одно из таких мест. Я думаю, что для меня огромной помощью будет взаимодействие с университетскими коллегами, их опыт, оборудование, которым они тут располагают. Всё это очень важно для успешной работы.

В мире таких мест, действительно, очень немного. Но в Германии, помимо Технических университетов в Хемнице и Дармштадте, есть и ряд других научных учреждений, работающих в этом направлении. Причём идут они к одной и той же цели разными путями.

Так, в университете Франкфурта-на-Майне исследователи пробиваются в терагерцовый диапазон не снизу, со стороны мега- и гигагерцовых частот, а сверху, со стороны оптического излучения. В поисках подходящих технологий франкфуртские инженеры экспериментируют с лазерами. Правда, лазеры излучают видимый свет, то есть работают в диапазоне значительно более высоких частот, поэтому исследователи используют одновременно два лазера с различной рабочей частотой и смеситель на базе нелинейно-оптического кристалла, что позволяет получать нужное им терагерцовое излучение как разность частот этих лазеров. Здесь так же, как и в Хемнице и в Дармштадте, учёные связывают с этим направлением исследований большие надежды.

Профессор Хартмут Роскос считает, что особенно в области физики твёрдого тела продолжительность протекания многих процессов прекрасно соотносится с временными параметрами терагерцового излучения. Роскос подчеркивает:

- И вот что ещё очень важно: величина энергии, необходимой для того, чтобы запустить эти процессы, примерно такова, что они как раз могут быть запущены посредством терагерцового облучения. Благодаря этому в деле изучения и анализа процессов, происходящих в твёрдых телах, перед нами открываются совершенно новые возможности, возможности, которых до сих пор просто не имелось.

Новые методы контроля и диагностики

Терагерцовое излучение обладает и ещё одним весьма полезным свойством: подобно рентгеновскому, оно позволяет заглянуть внутрь материи, просветить её. Это может означать новые методы дефектоскопии и контроля качества на производстве.

Ничуть не менее радужные перспективы открываются и перед биологами и медиками. Дело в том, что терагерцовое излучение, в отличие от рентгеновского, не наносит вреда живым тканям, поскольку для получения снимка достаточно очень слабого и очень короткого импульса. Но, несмотря на низкую интенсивность и малую продолжительность облучения, контрастность изображения при этом оказывается значительно выше, чем при традиционном рентгенологическом или ультразвуковом обследовании. Возможно, в будущем терагерцовое излучение ляжет в основу нового метода диагностики. Особенно, если с его помощью удастся выявлять опухоли. Во всяком случае, Карстен Зиберт, научный сотрудник университета Франкфурта-на-Майне, очень на это надеется:

- Самое замечательное тут, безусловно, то, что терагерцовое излучение позволяет очень точно улавливать наличие воды и определять её содержание в тканях. Мы надеемся, что на этой основе сможем научиться идентифицировать различные виды тканей, характеризующиеся различным содержанием воды, и таким образом, отличать опухолевую ткань от здоровой.

Однако для практической реализации подобных проектов необходимы простые, надёжные и недорогие, то есть доступные источники и приёмники терагерцового излучения, а их нет. Поэтому пока всё это – дело будущего. Над тем, чтобы оно наступило побыстрее, и собирается работать в Дармштадте Михаил Фейгинов. Перспективы уж очень заманчивы.