Через терагерцы — к звездам: технику научат смотреть сквозь стены
Российские ученые разработали уникальный измеритель частот, который поможет проектировать и калибровать технику будущего, например вычислительные устройства с высокой производительностью, мобильные сети шестого поколения, сканеры структуры материалов, определители опасных неметаллических веществ, приборы для изучения внутренних органов, измерители свежести продуктов и многие другие «фантастические» приложения. Эксперты заявили, что разработка открывает новые горизонты для науки и техники. По их мнению, новое устройство поможет совершить прорыв в технологиях во многих отраслях промышленности.
Как создавать скоростные компьютеры
Российские исследователи из Института радиотехники и электроники (ИРЭ) имени В.А. Котельникова и Московского физико-технического института совместно с коллегами из Национального университета Чунгбук (Чхонджу, Южная Корея) разработали прибор для измерения частот в нижнем спектре терагерцевого диапазона. Это колебания электромагнитных волн от 300 ГГц (гигагерц) до 1 ТГц (терагерц).
Эксперты уверены, что новое устройство поможет совершить прорыв в технологиях во многих отраслях промышленности. Дело в том, что такие частоты представляет интерес для специалистов, которые проектируют технику будущего.
Интерьер лаборатории спин-фотоники
— Люди давно освоили разные диапазоны электромагнитных волн. Например, микроволны используют для разогрева пищи, радиочастоты — для телевизоров и сотовых телефонов. Рентгеновские лучи помогают изучать структуру материалов. Терагерцевые также важны для практического применения, но сложно создать оборудование, которое может генерировать, улавливать и измерять такие волны, — рассказала «Известиям» одна из авторов разработки, инженер лаборатории спин-фотоники ИРЭ и магистрант кафедры твердотельной электроники, радиофизики и прикладных информационных технологий МФТИ Анастасия Митрофанова.
Она пояснила, что устройство, разработанное в ходе исследования, как раз предназначено, чтобы заполнить этот пробел. В приборе за счет модуляции электромагнитного поля производится генерация терагерцевых колебаний, причем важно, что, регулируя силу тока, можно изменять частоту колебаний источника. Это дает возможность настроиться на волну внешнего сигнала.
Ученая рассказала, что терагерцевые частоты интересны тем, что позволяют выполнять вычисления с высокой скоростью. Производительность устройств, которые работают в этом диапазоне, может быть в сотни раз выше, чем у современных процессоров. Также с ними специалисты ассоциируют развитие широкополосных систем связи и мобильных сетей шестого поколения. Это обусловлено их способностью передавать большие объемы данных на высоких скоростях.
— Современная техника с каждым днем становится все более миниатюрной. Но по мере уменьшения размеров устройств, основанных на движении электронов, в них возрастает сопротивление. Следовательно, увеличиваются потери энергии. В результате микроэлектроника подходит к своему пределу, — рассказал соавтор исследования, академик РАН, директор ИРЭ Сергей Никитов.
Коллективы лаборатории спин-фотоники и лаборатории магнонной спинтроники (в центре –– директор ИРЭ, академик Сергей Никитов и инженер Анастасия Митрофанова)
Чтобы обойти ограничение, нужны приборы, которые не использует движение электронов, пояснил ученый. Одно из таких решений предложено в исследовании. Это использование спина, магнитного момента электрона. Спиновый ток, который возникает в результате взаимодействия магнитных полей, также можно применять для передачи сигналов и информации. Однако при этом происходит меньше потерь энергии. И в целом спиновые состояния электронов менее подвержены влиянию шума и помех, что открывает новые возможности для увеличения быстродействия и производительности микроэлектроники.
Как смотреть сквозь предметы
Вместе с тем специалисты отмечают привлекательность терагерцевых частот и в других отраслях науки и техники. В частности, комментируя исследование, руководитель троицкого обособленного подразделения Физического института имени П.Н. Лебедева Андрей Наумов подчеркнул, что сейчас в мире происходит настоящая гонка в области разработки терагерцевого оборудования.
— Поиском наиболее эффективных решений в этой сфере занимаются многие научные группы и коммерческие организации. При этом большинство из них требуют сложного оборудования и специальных условий работы. Вместе с тем разработка ИРЭ компактна, проста в изготовлении и эксплуатации и работает при обычных комнатных температурах. Это делает ее очень перспективной, — отметил эксперт.
Вместе с тем, по словам, ученого, важно, что работа выполнена в сотрудничестве с южнокорейскими коллегами. Они обладают большим опытом по выводу высокотехнологичной продукции на мировой рынок, что поможет в коммерциализации устройств, созданных на основе модели, предложенной российскими специалистами.
С точки зрения Андрея Наумова, наиболее привлекательные возможности для применения терагерцевого излучения возникают в биомедицине. Дело в том, что характерные скорости атомов внутри органических молекул (белков, жиров и углеводов) совпадают с колебаниями диапазона. Вместе с тем такое излучение в отличие от рентгеновских лучей безопасно для человека.
— При взаимодействии организма с терагерцевым излучением все внутренние ткани и органы будут выглядеть по-разному, причем здоровые органы также будут отличаться от больных, например поврежденных злокачественными образованиями. Поэтому появляется возможность относительно простым оборудованием просканировать всё тело человека и увидеть различные патологии, — пояснил эксперт.
Другое важное назначение таких частот — это сфера безопасности, отметил физик. В терагерцевом диапазоне можно «видеть» опасные неметаллические вещества, которые невозможно распознать современными металлоискателями, например взрывчатку с полимерным связующим или керамические ножи. Новые возможности появляются и у военных. В частности, поскольку электромагнитные волны терагерцевого диапазона могут проникать сквозь разные материалы, они позволяют на безопасной дистанции выявлять мины. Также с их помощью можно обнаружить человека, спрятавшегося за стенкой. А спасатели смогут найти людей, выживших под завалами.
Экспериментальное оборудование
С другой стороны, сообщил Андрей Наумов, приборы, оснащенные терагерцевым анализатором, помогут определять безопасность пищевых продуктов. Например, с их помощью можно будет измерять степень зрелости овощей и фруктов и исследовать их на содержание вредных для здоровья добавок.
— Создание детекторов и источников терагерцевого излучения — это перспективная разработка, так как такой вид излучения позволяет неразрушающим образом заглядывать вглубь вещества. Во-вторых, важно, что ученые на основе нанотехнологий и с использованием антиферромагнитных материалов смогли создать устройства, которые, возможно, станут базовыми инструментами для микроэлектронной техники нового поколения, — прокомментировал со своей стороны разработку академик РАН, научный руководитель Института физики металлов имени М.Н. Михеева УРО РАН Владимир Устинов.
Он подчеркнул, что существует много вариантов создавать различные наноструктуры. Однако исследовать их методом перебора затратно. Поэтому имеет значение, когда первооткрыватели задают направление для остальных исследователей. В данном случае первооткрывателями стали ученые из ИРЭ.
— В настоящее время активно штурмуется диапазон частот от десятков до сотен гигагерц. Таких вычислителей не хватает в финансовом секторе (расчет рисков), энергетике (прогноз нагрузки на сети), сельском хозяйстве (автоматизация ухода за урожаем), фармакологии (разработка и испытание лекарств) и в других отраслях, — выразил свое мнение директор НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана и ВНИИ автоматики имени Н.Л. Духова Илья Родионов.
Эксперт добавил, что предложенный концепт анализатора востребован при разработке технологий и элементной базы для электроники нового поколения.
— Разработка ученых открывает новые горизонты для науки и техники. Она создает базу для новых линеек оборудования в самых разных сферах научной деятельности и отраслях промышленности. В частности, в биомедицине, контроле качества материалов, в радиоастрономии, в системах безопасности и многих других, — прокомментировала в свою очередь член координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при президенте по науке и образованию, соавтор проекта «Наша лаба» Ольга Тарасова.
Она выразила надежду, что передовые исследования обеспечат отечественной промышленности лидерские позиции в мире.
