Naujas Lietuvos fizikų išradimas: plonesnis už plauką, galingas kaip lazeris

FTMC Optoelektronikos skyriaus komanda užpatentavo išradimą, kuris vadinasi taip: „Plačiajuostę aukšto dažnio spinduliuotę generuojantis / stiprinantis įrenginys, naudojantis puslaidininkines supergardeles“. Kad toks įrenginys galimas sukurti, teoriškai buvo numanoma dar prieš 30 metų. Tačiau lietuvių mokslininkai pirmieji pasaulyje tai įrodė praktiškai, rašoma žinisklaidai išplatintoje informacijoje.

Išradimą patvirtino Lietuvos patentų biuras, pateikta paraiška ir Europos patentų tarnybai. Pastarasis procesas dėl biurokratinių įmantrybių gali užtrukti iki metų – o kol kas pasidomėkime, kokia tų supergardelių nauda.

Sustiprina signalą iki tūkstančio kartų

„Šio išradimo autoriai yra prof. Gintaras Valušis, dr. Kirill Alexeev, dr. Natalia Alexeeva, dr. Linas Minkevičius, dr. Dalius Seliuta... labai dideli žmonės. Ir aš“, – juokiasi FTMC doktorantas Vladislovas Čižas, taip pat vienas iš išradimo autorių. Su išradimu susijusi ir pašnekovo doktorantūros tema.

Fizikas pasakoja, kad pastaruoju metu FTMC skiria dėmesį kvantinių puslaidininkinių prietaisų kūrimui, ir štai vienas iš tokios veiklos rezultatų: lietuviai įrodė, kad dalį elektromagnetinių bangų įmanoma skleisti ar sustiprinti nauju būdu – panaudojant kvantines supergardeles.

„Mes galime pasirinkti labai platų dažnių ruožą pradedant nuo gigahercų (kas yra bevielis ryšys Wi-Fi, 5G, 6G ryšys ir t. t.), baigiant terahercais, kuriuos tyrinėja didžioji mūsų skyriaus dalis. O terahercus siekiama panaudoti kuriant saugos sistemas oro uostuose, medicininiams tyrimams ar sprogmenų aptikimui“, – sako Vladislovas.

Kvantinės supergardelės pasitarnauja kaip šių elektromagnetinių bangų šaltinis arba „stiprintuvas“. Kai kuriais atvejais šis išradimas padeda išgauti iki tūkstančio kartų stipresnį signalą nei įprastai! O kuo galingesnė spinduliuotė – tuo kokybiškesni bus atliekami moksliniai tyrimai.

„Ką galime padaryti? Reguliuodami pridedamą įtampą, išgauname skirtingą reikiamų dažnių sužadinimą, kuris yra labai galingas, netgi lyginamas su lazeriais. Taip pat turime daugiau galimybių pasirinkti, kokių dažnių elektromagnetines bangas norime generuoti. Lazeriai įprastai skleidžia paprastas bangas arba jų harmonikas (dažnis padaugintas iš dviejų, trijų ir t. t.). O su mūsų išradimu galime sužadinti ir vadinamuosius trupmeninius dažnius – 5/3 dažnio ir t. t.

Tai dar labiau praplečia šių bangų taikymo galimybes“, – teigia FTMC tyrėjas.

V. Čižas siūlo įsivaizduoti paprastą bateriją: prie jos prijunkime supergardelę, paleiskime labai silpną žadinantį signalą – ir supergardelė jį sustiprins iki šimto ar tūkstančio kartų. Arba iš to signalo „sukurs“ minėtąją harmoniką bei trupmeninį dažnį.

„Tai yra dar vienas naujo tipo gigahercinių ir terahercinių bangų šaltinis, – paaiškina Vladislovas. – Kalbant apie terharcų šaltinius, yra problemų: jie arba silpni, arba brangūs. O mūsiškis yra palyginus pigus. Aišku, čia ne lemputę nusipirkti, bet išradimas balansuoja tarp mažos kainos ir ganėtinai aukštų galimybių.“

Čia jau prireiks mikroskopo

Na gerai, bet tai kaipgi tos supergardelės atrodo?

Kaip dažnai būna FTMC, turime kalbėti apie laaabai mažus dydžius. V. Čižas iš stalčiaus ištraukia pavyzdį – plika akimi galima įžiūrėti stačiakampio formos kristalą, kuris gal dešimt kartų mažesnis už matematikos sąsiuvinio langelį.

„Tai va, tame taškiuke yra penkiolika supergardelių“, – šypsosi mokslininkas. Pačios kvadratinės gardelės yra plonesnės už žmogaus plauką (Vladislovas specialiai mums visa tai nufotografavo su mikroskopu), o jos pagamintos iš galio arsenido kristalo. Tiksliau sakant, FTMC Optoelektronikos technologijų laboratorijoje šį kristalą užaugina dr. Renata Butkutė su komanda.

Kalbant paprastai, supergardelės susideda iš mažyčių puslaidininkinių sluoksnių – kvantinių duobių bei labai siaurų barjerų aplink tas duobes. „Šitaip dėl kvantinių-mechaninių efektų, į duobę patekęs elektronas gali kiaurai prasiskverbti pro barjerą. Tai vadinama „tuneliavimu“.

Kadangi barjerai labai ploni, atsiranda toks reiškinys – „minijuosta“. Apie tai reikėtų daug aiškinti ir skaityti, bet svarbiausia, kad dėl tos minijuostos ir yra išgaunamas bangos stiprinimo efektas“, – sako FTMC doktorantas.

Apie šiuos tyrimus V. Čižas su kolegomis publikavo straipsnį prestižiniame fizikos žurnale „Physical Review Letters“. Dabar FTMC tyrėjų grupė siekia, kad jų išradimu susidomėtų mokslo įstaigos ir verslas visame pasaulyje.

Simonas Bendžius, Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC)