Ученые напечатали на 3D-принтере спирали для терагерцовых технологий

Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе (LLNL) с помощью 3D-печати создали микроскопические спиральные структуры, которые могут стать основой для новых оптических материалов, работающих в терагерцовом диапазоне. Эта технология может заполнить пробел в развитии телекоммуникаций 5G/6G, неразрушающего контроля и биологических сенсоров.

Изображение массивов спиралей, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Автор: Сонъюнь Гу

Напечатанные геликоиды надежно создают циркулярно поляризованные лучи в терагерцовом диапазоне. Располагая их в упорядоченные массивы, ученые создали первый в мире «хиральный» QR-код для продвинутого шифрования. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Science.

Терагерцовое излучение, находящееся между микроволнами и инфракрасным светом, является основой для 5G/6G и может стать безопасной альтернативой рентгеновским лучам. Однако создание стандартных оптических компонентов, таких как четвертьволновые пластинки, для этого диапазона затруднено.

«Метаматериалы — это наиболее эффективный способ генерации циркулярно поляризованных пучков в терагерцовом диапазоне, поскольку в настоящее время нет оптических кристаллов для таких длинных электромагнитных волн», — пояснил ведущий ученый проекта Вонджин Чой.

Первый в мире «хиральный» QR-код, где черные и белые пиксели — это спирали с разным направлением закрутки. Автор: Вонджин Чой

Циркулярно поляризованные лучи закручиваются по или против часовой стрелки, что называется хиральностью. Это свойство присуще биомолекулам, таким как ДНК и белки. Использование хиральных терагерцовых пучков позволяет изучать их структуру и может помочь в быстрой диагностике заболеваний или обнаружении опасных веществ.

Команда оптимизировала параметры спиралей (количество витков, радиус, высоту) с помощью моделирования, а затем напечатала их методом двухфотонной полимеризации. Полученные структуры продемонстрировали широкополосную активность в терагерцовом диапазоне.

Расположение спиралей в массиве привело к созданию хирального QR-кода. Информация в таком коде закодирована не яркостью, а фазой поляризационного вращения. Прочитать её можно только с помощью специального фильтра с правильной поляризацией, что добавляет уровень безопасности для использования в больницах, банках или военной сфере.

Для печати ученые использовали инновационную параллельную технику с металлензами, которая позволила значительно увеличить скорость производства сложных структур. Потенциальные применения технологии включают хиральное молекулярное зондирование, полосовые фильтры для связи и детекторы для медицины, биологии и астрономии.