کشف راهی جدید برای افزایش سرعت شارژ بی‌سیم با استفاده از گرافن

محققان در تبدیل فرکانس تراهرتز با استفاده از گرافن به پیشرفتی دست یافته‌اند که امکانات جدیدی را برای ارتباطات بی‌سیم فوق‌سریع و پردازش سیگنال پیشرفته باز می‌کند.

کار آنها بر غلبه بر محدودیت‌های قبلی در اپتیک غیرخطی تراهرتز متمرکز است، که گامی مهم به سوی فناوری کارآمد 6G محسوب می‌شود.

گشودن قدرت امواج تراهرتز در ارتباطات

یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه اتاوا روش‌های جدیدی را برای بهبود تبدیل فرکانس امواج تراهرتز (THz) در ساختارهای مبتنی بر گرافن توسعه داده‌اند. کار آنها می‌تواند منجر به فناوری‌های ارتباط بی‌سیم و پردازش سیگنال سریع‌تر و کارآمدتر شود.

امواج تراهرتز، که در ناحیه فروسرخ دور طیف الکترومغناطیسی قرار دارند، طیف وسیعی از کاربردها را دارند. آنها می‌توانند به مواد مات نفوذ کنند و آنها را برای تصویربرداری غیرتهاجمی در امنیت و کنترل کیفیت ارزشمند سازند. علاوه بر این، آنها پتانسیل زیادی برای ارتباطات بی‌سیم دارند. پیشرفت‌ها در اپتیک غیرخطی تراهرتز – تکنیک‌هایی که فرکانس امواج الکترومغناطیسی را تغییر می‌دهند – برای توسعه شبکه‌های بی‌سیم پرسرعت، از جمله سیستم‌های 6G آینده، حیاتی هستند.

فناوری تراهرتز به سرعت در حال پیشرفت است و انتظار می‌رود نقش کلیدی در مراقبت‌های بهداشتی، ارتباطات، امنیت و کنترل کیفیت ایفا کند. ژان-میشل منارد، دانشیار فیزیک در دانشگاه اتاوا، و تیمش دستگاه‌هایی را توسعه داده‌اند که سیگنال‌های الکترومغناطیسی را به فرکانس‌های نوسان بالاتر تبدیل می‌کنند. این پیشرفت به پر کردن شکاف بین الکترونیک گیگاهرتز سنتی و فوتونیک تراهرتز نوظهور کمک می‌کند و ما را به سیستم‌های ارتباطی نسل بعدی نزدیک‌تر می‌کند.

پیشرفت‌ها در تبدیل فرکانس تراهرتز مبتنی بر گرافن

این یافته‌ها – که در نشریه Light: Science & Applications منتشر شده‌اند – استراتژی‌های نوآورانه‌ای را برای افزایش غیرخطی‌های تراهرتز در دستگاه‌های مبتنی بر گرافن نشان می‌دهند. پروفسور منارد، که در این پروژه با محققان دانشگاه اتاوا، علی مالکی و رابرت دبلیو بوید، به همراه موریتز بی. هایندل و جورج هرینک از دانشگاه بایروث (آلمان) و شرکت Iridian Spectral Technologies همکاری داشت، می‌گوید: «این تحقیق گامی مهم به جلو در بهبود کارایی مبدل‌های فرکانس تراهرتز، جنبه‌ای حیاتی برای کاربردهای تراهرتز چند طیفی و به ویژه آینده سیستم‌های ارتباطی، مانند 6G، محسوب می‌شود.»

استفاده از خواص نوری منحصر به فرد گرافن

این تحقیق جدید روش‌هایی را برای بهره‌برداری از خواص نوری منحصر به فرد گرافن، یک ماده کوانتومی نوظهور ساخته شده از یک لایه منفرد از اتم‌های کربن، به نمایش می‌گذارد. این ماده دوبعدی می‌تواند به طور یکپارچه در دستگاه‌ها ادغام شود و کاربردهای جدیدی را برای پردازش سیگنال و ارتباطات امکان‌پذیر کند.

کارهای قبلی که نور تراهرتز و گرافن را ترکیب می‌کردند، عمدتاً برinteractions بنیادی نور-ماده متمرکز بودند. و اغلب تأثیر یک پارامتر واحد را در آزمایش بررسی می‌کردند. اثرات غیرخطی حاصل بسیار ضعیف بودند. برای غلبه بر این محدودیت، پروفسور منارد و همکارانش چندین رویکرد نوآورانه را برای افزایش اثرات غیرخطی و بهره‌برداری کامل از خواص منحصر به فرد گرافن ترکیب کرده‌اند.

گسترش آینده فناوری تراهرتز

علی مالکی، دانشجوی دکترای گروه تراهرتز فوق سریع در دانشگاه اتاوا، که نتایج این مطالعه را جمع‌آوری و تحلیل کرده است، می‌افزاید: «سکوی آزمایشی و معماری‌های دستگاه جدید ما این امکان را فراهم می‌کند که طیف وسیعی از مواد فراتر از گرافن را بررسی کنیم و به طور بالقوه مکانیسم‌های نوری غیرخطی جدیدی را شناسایی کنیم.»

«چنین تحقیق و توسعه‌ای برای اصلاح تکنیک‌های تبدیل فرکانس تراهرتز و در نهایت ادغام این فناوری در کاربردهای عملی، به ویژه برای فعال کردن مبدل‌های سیگنال تراهرتز غیرخطی کارآمد و یکپارچه روی تراشه که سیستم‌های ارتباطی آینده را هدایت خواهند کرد، حیاتی است.»

توضیح اصطلاحات:

• THz (تراهرتز): واحدی از فرکانس است که برابر با یک تریلیون هرتز (۱۰^۱۲ هرتز) است. این محدوده فرکانسی بین امواج مایکروویو و نور مرئی قرار دارد و پتانسیل بالایی برای کاربردهای مختلف از جمله ارتباطات بی‌سیم بسیار سریع دارد.

• فرکانس تبدیل (Frequency Conversion): فرآیندی است که در آن فرکانس یک موج الکترومغناطیسی (مانند نور یا سیگنال رادیویی) تغییر می‌کند. در اینجا، منظور تبدیل فرکانس به محدوده تراهرتز است.

• اپتیک غیرخطی (Nonlinear Optics): شاخه‌ای از اپتیک که به بررسی پدیده‌هایی می‌پردازد که در آنها پاسخ یک ماده به نور با شدت نور رابطه خطی ندارد. در اپتیک خطی، شدت نور خروجی متناسب با شدت نور ورودی است. اما در اپتیک غیرخطی، این رابطه پیچیده‌تر است و می‌تواند منجر به پدیده‌هایی مانند تولید هارمونیک‌های بالاتر، تبدیل فرکانس و … شود. این پدیده‌ها در محدوده تراهرتز برای تولید و دستکاری امواج تراهرتز اهمیت دارند.

پیشنهاد مطالعه: بازدهی تقریباً کامل: مکانیک کوانتومی و فتوسنتز

پیشنهاد مطالعه: گرافن و روش های تولید مختلف با رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار

Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures by Ali Maleki, Moritz B. Heindl, Yongbao Xin, Robert W. Boyd, Georg Herink and Jean-Michel Ménard, 9 January 2025, Light: Science & Applications.
DOI: 10.1038/s41377-024-01657-1