Terahercai – elektromagnetinės bangos, kurių plika akimi nematome ir apie kurias gal net nežinojote. Tačiau mokslininkams ir technologijų kūrėjams terahercai tampa vis svarbesni, nes gali būti panaudojami tokiose srityse kaip saugumo patikros sistemos, naujos kartos bevielis ryšys, krašto gynyba ar medicina. 
Terahercai – elektromagnetinės bangos, kurių plika akimi nematome ir apie kurias gal net nežinojote. Tačiau mokslininkams ir technologijų kūrėjams terahercai tampa vis svarbesni, nes gali būti panaudojami tokiose srityse kaip saugumo patikros sistemos, naujos kartos bevielis ryšys, krašto gynyba ar medicina.
Viena stipriausių pasaulyje komandų, tyrinėjančių terahercus, yra įsikūrusi Lietuvoje. Tai – Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Optoelektronikos skyrius, kuriame darbuojasi fizikas, geriausios 2024 m. daktaro disertacijos autorius dr. Vladislovas Čižas.
Dr. Vladislovas Čižas. FTMC nuotr.
Jis pirmasis pasaulyje šioje srityje pritaikė vadinamąjį homodininį vaizdinimo metodą, kuris šias elektromagnetines bangas įgalina žymiai geriau panaudoti paslėptų daiktų aptikimui. Dėka lietuvio patobulintos technologijos, gaunami objektų vaizdai tampa ryškesni, be to, atsiveria plačios galimybės sukurti labiau universalius ir kompaktiškesnius terahercinius prietaisus.
Surado būdą, kaip pagerinti vaizdo kokybę
Viena pagrindinių terahercų pritaikymo sričių yra vaizdinimas. Tai kažkas panašaus į darbą su fotoaparatu, tik vietoje įprastos nuotraukos mokslininkai kompiuterio ekrane išgauna kiek kitokius vaizdus – tam tikrus siluetus, nurodančius, kas yra paslėpta pakuotės, kišenės ar kitokios talpos viduje.
„Terahercinis vaizdinimas leidžia pamatyti daugybę dalykų, kurių plika akimi ar iš paprastų nuotraukų nepastebėtume. Pavyzdžiui, tokiu būdu galima skenuoti žmones oro uostuose: priešingai rentgeno spinduliams, tai visiškai nekenksminga sveikatai ir iš dalies kai kuriuose moderniuose oro uostose tai jau daroma. Taip pat galima tikrinti siuntinius, ar juose nėra sprogmenų, narkotinių medžiagų ar kitų nepageidaujamų dalykų“, – pasakoja V. Čižas.
Ši technologija pasaulyje gerai išvystyta, tačiau susiduriama ir su iššūkiais: terahercai sunkiai „mato“ žmogaus ir gyvūnų audinių bei kitų biologinius objektų vidų. Pasak fiziko, mokslas nori žengti į terahercų naudojimą vėžio diagnostikai, bet tai – kol kas labai ankstyvi svarstymai.
„Galime kalbėti ir apie tokias kasdienes medžiagas kaip popierių. Jis labai prastai sugeria terahercų bangas – jos tiesiog praeina pro jį, beveik nesąveikaudamos. Todėl naudojant įprastą vaizdinimo sistemą būtų praktiškai neįmanoma, pavyzdžiui, atskirti, kiek popieriaus lapelių yra sudėti vienas ant kito“, – sako pašnekovas.
FTMC mokslininkų komandos pristatomas sprendimas – patobulintas terahercinis objektų „fotografavimas“: terahercų dažnių ruožui pritaikytas vadinamasis homodininio vaizdinimo metodas, gerai pasitvirtinęs kituose elektromagnetinių bangų dažnių ruožuose. Paprastai tariant, į tiriamą objektą (pavyzdžiui, popieriaus krūvelę) yra siunčiama terahercinė banga. Ji vadinama pagrindiniu signalu. Tuomet aplink tiriamą objektą yra paleidžiamas antras, pagalbinis, signalas. Kai šie signalai susikerta, atsiranda interferencija (tam tikra bangų sąveika), kuri leidžia išryškinti daugiau detalių ir pagerinti gaunamo vaizdo kokybę.
Mokslininko ir jo kolegų bandymai buvo sėkmingi, ir šį darbą publikavo prestižinis mokslo žurnalas „ACS Photonics“.
Žingsnis mažesnių, pigesnių prietaisų link
Terahercinio vaizdinimo mokslinė įranga. FTMC nuotr.
FTMC fizikas sako, jog šiame tyrime svarbiausias pasiekimas – tai, kad pavyko pritaikyti vaizdinimo metodą, kuris jau seniai naudojamas tokiose technologijose kaip radarai, kompiuterinė tomografija, mikroskopai ar holografija, tačiau iki šiol nebuvo taikytas terahercų srityje: „Kitaip tariant, mes perkėlėme jau patikrintą idėją į visiškai naują dažnių diapazoną ir parodėme, kad ji čia taip pat veikia.“
Be to, į sistemą mokslininkas įdiegė specialius elementus – vadinamuosius metalęšius. Tai yra metalo folijoje lazeriu išpjautos mažytės struktūros, pasižyminčios savybėmis, kokių nerasime gamtoje. Jos leidžia tiksliai valdyti terahercų spinduliuotės sklidimą, panašiai kaip įprasti lęšiai valdo šviesą.
„Vienas didžiausių metalęšių privalumų – jų dydis ir svoris. Jie yra labai ploni, lengvi ir neužima daug vietos, todėl visa vaizdinimo sistema gali būti gerokai kompaktiškesnė. Tai ypač svarbu, jei tokį įrenginį reikėtų padaryti ne stacionarų, o, pavyzdžiui, perkeliamą ar nešiojamą. Be to, gaminti metalęšius yra kur kas pigiau nei daugelį kitų terahercų optinių elementų“, – pasakoja Vladislovas.
Dar vienas reikšmingas pranašumas – kryptingas šviesos valdymas, vadinamas poliarizacija. Ji nusako, kuria kryptimi „svyruoja“ skleidžiama elektromagnetinė banga. Pagalvokime apie žaliuzes: pasukus jas tam tikra kryptimi, šviesos spinduliai mūsų patalpą apšvies skirtingai. Panašiai ir FTMC mokslininkų naudojamus metalęšius galima pasukti, ir taip paprastai reguliuoti sklindančios terahercų spinduliuotės poliarizaciją, nepridedant sudėtingų ar brangių komponentų.
Tai praverčia tyrinėjant ir pavienį popieriaus lapą. Plika akimi jis atrodo vientisas, tačiau smarkiai padidinus mikroskopu matytume, kad jis sudarytas iš tam tikra kryptimi išsidėsčiusių pluoštelių. V. Čižo ištobulinta sistema padėtų tiksliau nustatyti tokių pluoštelių kryptį – o ji lemia popieriaus stiprumą, deformaciją, atsparumą drėgmei ir spaudos kokybę. Teraherciniai poliarizacijai jautrūs metodai leidžia tai padaryti greitai ir neardant medžiagos.
Tas pats principas galioja ir kitiems medžiagų tipams, pavyzdžiui, medienai, kuri turi aiškią vidinę sandarą ir kryptingą struktūrą.
Neišnaudotos galimybės
FTMC Optoelektronikos skyriaus vystoma vaizdinimo sistema šiuo metu veikia iki maždaug vieno teraherco, o komanda siekia dirbti ir su aukštesniais dažniais. Pasak V. Čižo, moksle tai yra dar mažai atrasta sritis, kurios įvaldymas leistų dar kokybiškiau tyrinėti įvairias medžiagas.
„Kiekviena medžiaga turi savitą spektrą, t. y. ji skirtingai reaguoja į skirtingus dažnius. Naudojant vieną dažnį ekrane matysime labai ryškų vaizdą, o kituose – beveik jokio efekto nebus. Todėl labai svarbu turėti galimybę dirbti būtent tame dažnyje, kuriame tikimasi geriausio atsako.
Naudojant žemus dažnius jau daug kas pasaulyje padaryta, tačiau aukštesniuose – tarp vieno ir dešimties terahercų – erdvės tyrimams dar labai daug. Įvaldę šią sritį, gerokai išplėstume tiek pačios sistemos, tiek praktinių taikymų galimybes. Išankstiniais paskaičiavimais, mūsų patobulintos struktūros galės veikti norimuose dažniuose iki dešimties terahercų“, – paaiškina pašnekovas.
„Peršoko“ gamtos dėsnius
Kodėl iki šiol sudėtinga „pakelti“ tiriamų metalęšių veikimo dažnį? Pasak V. Čižo, esminė kliūtis čia yra gamtos dėsniai: kuo aukštesnis elektromagnetinės bangos dažnis, tuo trumpesnis jos bangos ilgis – tad atitinkamai metalęšiuose esantys elementai (vadinami metaatomais) turi būti smulkesni, kad galėtų tinkamai sąveikauti su ateinančia banga.
Vienas iš terhercinio vaizdinimo pavyzdžių, kaip pamatyti paslėptus daiktus: nuotraukoje matome plieninę geležtę, adatą ir nitrilinės pirštinės gabalėlį, kurie buvo uždengti 6 medvilninio audinio sluoksniais. Domo Jokubauskio / FTMC nuotr.,
Plačiausiai paplitusios technologijos leidžia sukurti kokybiškus metaatomus, kurių patys mažiausieji siekia vos 10 mikrometrų. Tai – 100 kartų mažiau už milimetrą, tačiau ir to nepakanka, kad teraherciniai tyrimai „iššautų“ aukščiau vieno dažnio ribų. Kitaip sakant, net pačios moderniausios, smulkiausios įmanomos struktūros tam yra tiesiog per didelės.
Todėl Vladislovas su komanda ieško alternatyvaus kelio – bando išnaudoti vadinamąsias aukštesnes metamedžiagų modas. Kalbant paprastai, kiekvienas metaatomas gali „rezonuoti“ ne tik viename, pagrindiniame, dažnyje, bet ir kituose, aukštesniuose. Šiuos papildomus veikimo režimus galima palyginti su harmonikomis muzikoje: pagrindinė nata skamba stipriausiai, bet egzistuoja ir aukštesni „priedai“.
„Taigi, naudojant santykinai didelius metaatomus, vis dar pagaminamus pigiomis lazerinėmis technologijomis, mes galime pasiekti aukštesnius veikimo dažnius. O tai reiškia dar didesnį informacijos perdavimo greitį, dar mažesnius vaizdinimu aptinkamus objektus ir įvairesnes aptinkamas medžiagas“, – apibendrina V. Čižas.
Kiekvieną dieną – vis kas nors naujo
Jaunasis mokslininkas jau yra pasiekęs reikšmingų laimėjimų savo srityje: publikuoja straipsnius aukščiausio lygio žurnaluose, dalyvauja tarptautinėse konferencijose, o prieš trejus metus su kolegomis užpatentavo išradimą – kvantines supergardeles, veikiančias kaip elektromagnetinių bangų stiprintuvai. Šio tyrimo pagrindu Vladislovas vėliau parašė ir apgynė daktaro darbą, kurį Lietuvos mokslų akademija pripažino viena iš geriausių 2024 m. disertacijų.
V. Čižas kviečia atvykti į FTMC atlikti praktikos arba studijuoti doktorantūros ir atrasti save – būnant mokslininku galima patirti nuolatinį nuotykį, nes kiekviena diena čia atneša vis ką nors naujo.
„Mano, kaip fiziko, darbas, yra labai įdomus: darau tai, ko niekas iki šiol nėra daręs. Mūsų laboratorijoje dirbame nuo teorijos iki realiai veikiančių įrenginių, kuriuos būtų galima parduoti ir naudoti praktiškai.
Galima sakyti, kad nuolat įveikiu vis naujus iššūkius, niekada nežinai, kas tavęs laukia šiandien. Tas nenuspėjamumas mano veža. Jei išmoksti tuo džiaugtis, viskas vyksta labai linksmai ir įdomiai“, – sako FTMC mokslininkas.
