Fale terahercowe : perspektywy

• Autorzy: Pliński F. Edward , Plińska Stanisława

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2024.10.2

Warianty tytułu

EN

Terahertz waves : prospects

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono obszerne omówienie wszelkiego rodzaju dziedzin nauki, techniki i wszelkiej tematyki, gdzie fale terahercowe budzą nie tylko zainteresowanie badaczy, ale również kadry inżynieryjnej, która znajduje zastosowanie techniki terahercowej w bardzo szerokiej dziedzinie aktywności ludzkiej. Pokazano rozwój techniki terahercowej w trzech nurtach: techniki badawczej, badań podstawowych i komercjalizacji omawianej techniki. Podział ten obejmuje 20 zagadnień zgrupowanych w nurtach, jak wyżej. Postawiono nacisk na zastosowanie fal terahercowych w szeroko pojętej biomedycynie, a w szczególności w naukach farmaceutycznych. Głównym celem badań (tu przeglądu wyników światowych dotyczących rozwoju techniki terahercowej) było skonfrontowanie osiągnięć badawczych i technicznych z aplikacjami omawianej techniki we wszelkich obszarach aktywności ludzkiej. Badane materiały i w ogóle przedmiot badań oraz metody badawcze zostały omówione w trzech podstawowych nurtach: Badania podstawowe, gdzie przedstawiono takie zagadnienia, jak kwantowa optyka terahercowa w dziedzinie czasu, nieliniowa spektroskopia terahercowa, przebicie w powietrzu jako emiter i detektor fal terahercowych, laserowe źródła terahercowe, postępy astronomii terahercowej. Drugi nurt, to technika badawcza, a w niej: spintronika terahercowa, terahercowa polarymetria i elipsometria w dziedzinie czasu, terahercowa spektroskopia emisyjna, terahercowa skaningowa mikroskopia tunelowa, obrazowanie terahercowe w polu bliskim, terahercowe obrazowanie multipikselowe. Następny nurt, to Komercjalizacja - wpływ społeczny: fale terahercowe w biologii i farmaceutyce, spektroskopia terahercowa nowych materiałów, terahercowe przejścia sub-międzypasmowe, terahercowe instrumenty badawcze na satelitach, zastosowania medyczne, terahercowe standardy i metrologia oparte na falowodach, telekomunikacja na falach terahercowych, technologia terahercowa w przemyśle, przemysł farmaceutyczny. Pokazano wyniki terahercowego pomiaru fluktuacji próżni, obserwacji zjawisk nieliniowych indukowanych przez fale o częstotliwościach z pasma terahercowego, wyniki wytwarzania i detekcji fal THz metodą przebicia w powietrzu, nowe źródła fal THz (laser, synchrotron), wyniki obserwacji astronomicznych, możliwości przesyłania informacji za pomocą odpowiednio skonstruowanych struktur spinowych (spintronika THz), korzyści z zastosowania polarymetrii i elipsometrii THz, oraz spektroskopii emisyjnej i tunelowej, wyniki wszelkiego rodzaju obrazowania z wykorzystaniem fal THz, w szczególności pokazano wyniki aplikacji techniki terahercowej w medycynie, biologii i farmacji, nie ominięto tez najnowszych wyników aplikacji satelitarnych, telekomunikacji THz i wszelkich zastosowań przemysłowych. Stwierdzono, że rozwój techniki terahercowej ma olbrzymi potencjał wpływania na wiele dziedzin życia społecznego, naukowego i przemysłowego, jak kontrola bezpieczeństwa i analizy materiałów, wykrywanie substancji chemicznych, biologicznych i nuklearnych; stwierdzono, że pasmo THz jest kluczowe dla budowy systemów mogących przekroczyć pasmo 6G; uznano, że mimo dotychczasowych opinii, że do rzeczywistych aplikacji fal terahercowych w wielu obszarach aktywności ludzkiej jest ciągle długa droga, to pokonanie takich barier jak koszty, złożoność systemów, a nawet brak wiedzy na temat technologii THz, to kwestia czasu.

EN

An extensive discussion was presented of all kinds of fields of science, technology and all topics where terahertz waves arouse the interest not only of researchers, but also of engineering staff who find the application of terahertz technology in a very wide field of human activity. The development of terahertz technology is shown in three branches: research technology, basic research and commercialization of the technique. This division includes 20 issues grouped into trends as above. Emphasis was placed on the use of terahertz waves in broadly understood biomedicine, and in particular in pharmaceutical sciences. The main goal of the research (here a review of global results regarding the development of terahertz technology) was to confront research and technical achievements with the applications of the discussed technique in all areas of human activity. The tested materials and, in general, the subject of research and research methods were discussed in three basic areas: Basic research, which presented such issues as quantum terahertz optics in the time domain, nonlinear terahertz spectroscopy, breakdown in air as an emitter and detector of terahertz waves, terahertz laser sources, advances in terahertz astronomy. The second trend is Research Technology, including: terahertz spintronics, terahertz polarimetry and ellipsometry in the time domain, terahertz emission spectroscopy, terahertz scanning tunneling microscopy, terahertz imaging in the near field, terahertz multipixel imaging. The next trend is Commercialization - social impact: terahertz waves in biology and pharmaceuticals, terahertz spectroscopy of new materials, terahertz sub-interband transitions, terahertz research instruments on satellites, medical applications, terahertz standards and metrology based on waveguides, telecommunications on terahertz waves, technology terahertz in industry, pharmaceutical industry. Shown are the results of terahertz measurement of vacuum fluctuations, observations of non-linear phenomena induced by waves with frequencies in the terahertz band, results of the generation and detection of THz waves by the breakdown method in air, new sources of THz waves (laser, synchrotron), results of astronomical observations, possibilities of transmitting information via using appropriately constructed spin structures (THz spintronics), the benefits of using THz polarimetry and ellipsometry, as well as emission and tunneling spectroscopy, the results of all types of imaging using THz waves, in particular the results of the application of terahertz technology in medicine, biology and pharmacy were shown, also included the latest results of satellite applications, THz telecommunications and all industrial applications. It was found that the development of terahertz technology has enormous potential to influence many areas of social, scientific and industrial life, such as safety control and analysis of materials, detection of chemical, biological and nuclear substances; it was found that the THz band is crucial for building systems that can exceed the 6G band; it was recognized that despite previous opinions that there is still a long way to the actual applications of terahertz waves in many areas of human activity, it is a matter of time to overcome such barriers as costs, system complexity, and even lack of knowledge about THz technology.

Słowa kluczowe

PL

technika terahercowa; urządzenia badawcze THz; biomedycyna; nauki farmaceutyczne; wpływ społeczny

EN

terahertz technology; THz research devices; biomedicine; pharmaceutical sciences; social impact

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 65, Nr 10
• Strony: 14--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys.

Twórcy

autor

Pliński F. Edward

• Politechnika Wrocławska

• https://orcid.org/0000-0001-7968-8036

autor

Plińska Stanisława

• Uniwersytet Medyczny im. Piastów Śląskich

• https://orcid.org/0000-0003-0883-7991

Bibliografia

• [1] Yun-Shik Lee. Principles of Terahertz Science and Technology. Springer-Verlag US; 2009. DOI: 10.1007/978-0-387-09540-0.
• [2] Pliński E. F. Światło czy fale? Wybrane aspekty techniki terahercowej od elektroniki do biomedycyny. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej; 2012.
• [3] Beigang R. The route from fundamental physics to real world applications of THz technology. 2016; 41st International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), Copenhagen, Denmark. DOI:10.1109/IRMMWTHZ. 2016.7758540.
• [4] Dhillon S. S, Vitiello M. S, Linfield E. H, et al. The 2017 terahertz science and technology roadmap. J. Phys. D: Appl. Phys. 2017; 50: 043001 (49pp). DOI: 10.1088/1361-6463/50/4/043001.
• [5] Leitenstorfer A, Moskalenko A. S, Kampfrath T, et al. The 2023 terahertz science and technology roadmap. J. Phys. D: Appl. Phys. 2023; 56: 223001 (66pp). DOI: 10.1088/1361-6463/acbe4c.
• [6] Mukamel S. Freyberger M. Schleich W. et al. 2020 Roadmap on quantum light spectroscopy. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 2020; 53, 072002 (66pp). DOI: 10.1088/1361-6455/ab69a8.
• [7] Riek C, Moskalenko D. V, Schmidt J. F, et al. Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations. Science, 2015; 350, 420-423. DOI: 10.1126/science.aac9788.
• [8] Hafez H. A. Chai X. Ibrahim A. et al. Intense terahertz radiation and their applications. J. Opt. 2016; 18, 093004 (48pp). DOI: 10.1088/2040-8978/18/9/093004.
• [9] Hafez H. A. Kovalev S. Deinert J Ch. et al. Extremely efficient terahertz high-harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions. Nature 2018; 561, 507–511. DOI: 10.1038/s41586-018-0508-1.
• [10] Matsubara E. Nagai M. Ashida M. Ultrabroadband coherent electric field from far infrared to 200 THz using air plasma induced by 10 fs pulses. Appl. Phys. Lett. 2012; 101 011105 (pp4). DOI: 10.1063/1.4732524.
• [11] Stepanov A. G. Hebling J. Kuhl J. Efficient generation of subpicosecond terahertz radiation by phase-matched optical rectification using ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts. Appl. Phys. Lett. 2003; 83(15), 3000-3002. DOI: 10.1063/1.1617371.
• [12] Currya E. Fabbria S. Musumecia P. et al. Simulation of 3-Deffects in THz-based phase space manipulation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research - section A (NIM-A) Proceedings of FEL2015, Daejeon, Korea, TUP 069, 519-522 (2016). DOI: 10.1016/j.nima.2017.02.005.
• [13] Dostępny w Internecie: https://www.komputerswiat.pl/aktualnosci/tajemnicza-struktura-odpycha-nasza-galaktyke-niewiadomo-jak-powstala/c54bpyb. Dostęp 20.09.2023.
• [14] Graf U. U . Honingh C. E. Jacobs K. Stutzki J. Terahertz heterodyne array receivers for astronomy. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2015: 36(10), 896-921. DOI: 10.1007/ s10762-015-0171.
• [15] Li X. Bamba M. QiZhang NY. et al. Observation of Dicke cooperativity in magnetic interactions. 2018; Science. 361(6404), 794-797. DOI: 10.1126/science.aat5162.
• [16] Disa A. S. Fechner M. Nova TF. et al. Polarizing an antiferromagnet by optical engineering of the crystal field. 2020; Nat. Phys. 16, 937-941. DOI: 10.1038/s41567-020-0936-3.
• [17] Castro-Camus E. Polarization-Resolved Terahertz Time-Domain Spectroscopy. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2012; 33(4), 418-430. DOI: 10.1007/s10762-011-9856-8.
• [18] Nagashima T. Hangyo M. Measurement of complex optical constants of a highly doped Si wafer using vtics D. Zhang F. et al. Three-dimensional cross-nanowire networks recover full terahertz state. terahertz ellipsometry. Appl. Phys. Lett. 2001; 79, 3917-3919. DOI: 10.1063/1.1426258.
• [19] Peng K. JeScience 2020; 368 510-513. DOI: 10.1126/science.abb0924.
• [20] Du W, Yao Z. Zhu L. et al. Photodoping of graphene/silicon van der Waals heterostructure observed by terahertz emission Spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 2020; 117, 081106. DOI: 10.1063/5.0020068.
• [21] Kushnir K, Wang M. Fitzgerald PD. et al. Ultrafast zero-bias photocurrent in GeS nanosheets: promise for photovoltaics. ACS Energy Lett. 2017; 2, 1429-1434. DOI: 10.1021/ acsenergylett.7b00330.
• [22] Cocker T. L . Jelic V. Gupta M. et al. An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope. Nat. Photon. 2013; 7(8), 620-625. DOI: 10.1038/nphoton.2013.151.
• [23] Müller E. W. Field ion microscopy. Science.1965; 149(3684), 591-601. DOI: 10.1126/science.149.3684.591.
• [24] Ronald U. Euan H. Jie S, et al. Carrier dynamics in semiconductors studied with time-resolved terahertz spectroscopy. Reviews of Modern Physics. 2011; 83(2), 543-586. DOI: 10.1103/Rev-ModPhys.83.543.
• [25] Pliński E. F. Absorpcja ołowiu na wolframie; nukleacja i wzrost krystalitów ołowiu. Praca magisterska w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Wrocławskiego, promotor doc. Z Sidorski, 1974.
• [26] Dostępny w Internecie: https://en.wikipedia.org/wiki/Field_ion_ microscope. Dostęp 17.09.2023.
• [27] Stantchev R. I. B. Sun B. Hornett S. M. et al., Noninvasive, nearfield terahertz imaging of hidden objects using a single-pixel detector. Science Advances. 2016; 2(6), 1-6. DOI: 10.1126/sciadv.1600190.
• [28] Grant J. Escorcia Carranza I. Li C. et al. A monolithic resonant terahertz sensorelement comprising a metamaterial absorber and micro-bolometer. Laser Photonics Rev. 2013; 7(6), 1043-1048. DOI: 10.1002/lpor.201300087.
• [29] Pezzotti S. Sebastiani F. van Dam E. et al. Spectroscopic fingerprints of cavity formation and solute insertion as a measure of hydration entropic loss and enthalpic gain. Angew. Chem. Int. Ed. 2022; 61(29), e202203893. DOI: 10.1002/anie.202203893.
• [30] Kovalev S. Hafez H. A. Tielrooij K-J. et al. Electrical tunability of terahertz nonlinearity in Graphene. Sci. Adv. 2021; 7(15), eabf9809. DOI: 10.1126/sciadv.abf9809.
• [31] Helm M. The basic physics of intersubband transitions Semiconductors and Semimetals. 1999; 62, ed Liu HC. Capasso F. Amsterdam: Elsevier, ch 1, pp 1-99. DOI: 10.1016/S0080-8784(08)60304-X.
• [32] Metop Second Generation. Dostępny w Internecie: www.eumetsat.int/metop-sg. Dostęp 18.09.2023.
• [33] Hu B. B. M. C. Nuss M. C. Imaging with terahertz waves. Optics Letters. 1995; 20(16), 1716-1718. DOI: 10.1364/OL.20.001716.
• [34] IEEE Std 1785.1-2012 IEEE Standard for Rectangular Metallic Waveguides and Their Interfaces for Frequencies of 110 GHz and Above-Part 1: Frequency Bands and Waveguide Dimensions.
• [35] Lu P. Haddad T. Tebart J. et al. Mobile THz communications using photonic assisted beam steering leaky-wave antennas Opt. Express. 2021; 29(14), 21629-21638. DOI: 10.1364/OE.427575.
• [36] Guerboukha H. Nallappan K. Skorobogatiy M. Toward real-time terahertz imaging. Adv. Opt. Photonics. 2018; 10(4), 843=938. DOI: 10.1364/AOP.10.000843.
• [37] Sterczewski L. A. Nowak K. Szlachetko B. et al. Chemometric Evaluation of TH z Spectral Similarity for the Selection of Early Drug Candidates. Scientific Reports. 2017; 7, 14583. DOI:10.1038/s41598-017-14819-6.
• [38] Veber D. F. Johnson S.R. Cheng H. Y. et al. Molecular properties that influence the oral bioavailability of drug candidates. J. Med. Chem. 2002; 45 (12), 2615-2623. DOI: 10.1021/jm020017n.
• [39] Pliński E. F. Pałka N. Plińska S. Applications of Terahertz ATR Spectroscopy to Pharmacology. Acta Poloniae Pharmaceutica - Drug Research, 2021; 78(4), 467-474. DOI: 10.32383/appdr/140366.