Українське дослідження терагерцевого випромінювання: нові горизонти

Українські дослідники з Науково-дослідного інституту «Оріон» у Києві зробили значний внесок у вивчення терагерцевого випромінювання — унікального діапазону електромагнітних хвиль, що відкриває перспективи в багатьох галузях. Цей спектр, розташований між мікрохвилями та інфрачервоним світлом, має частоти від 0,1 до 10 терагерців і привертає увагу вчених завдяки своїм особливим властивостям. Про це йдеться у статті, опублікованій у журналі «Радіофізика і радіоастрономія», авторами якої є Микола Карушкін та Володимир Рукин.

Одна з ключових особливостей терагерцевих хвиль — відсутність іонізуючого впливу, що робить їх безпечними для живих організмів. Водночас вони здатні проникати через непрозорі матеріали, такі як тканини, пластик чи папір, і мають велику інформаційну ємність. Ці якості дозволяють використовувати їх для створення високошвидкісних ліній зв’язку, точних радарів, систем зображення високої роздільної здатності та навіть дистанційного виявлення хімічних речовин.

У космічних дослідженнях цей діапазон важливий через те, що значна частина реліктового випромінювання, яке несе інформацію про ранній Всесвіт, припадає саме на нього. Радіотелескопи, що працюють у цій зоні частот, можуть розкрити нові деталі про далекі небесні об’єкти.

У медицині терагерцеві хвилі вже знаходять практичне застосування. Завдяки здатності проникати вглиб тканин без шкоди для здоров’я, вони допомагають у ранній діагностиці захворювань. Наприклад, їх використовують для оцінки ступеня опіків, контролю загоєння ран чи виявлення патологій у дихальній та судинній системах. Лікувальний потенціал також вражає: низькоінтенсивне випромінювання застосовують для терапії, спрямованої на біологічно активні точки чи уражені ділянки тіла. Такі процедури тривають до 40 хвилин і показують ефективність у лікуванні неврологічних, кардіологічних та онкологічних проблем, іноді перевершуючи медикаментозні методи.

Дослідники з «Оріона» зосередилися на розробці приладів, які генерують і реєструють ці хвилі. Вони створили генератори та помножувачі частоти на основі лавинно-пролітних діодів — компактних напівпровідникових пристроїв, що забезпечують стабільне випромінювання потужністю в десятки міліват.

Такі прилади працюють у діапазоні від 100 до 350 гігагерців і вирізняються низькою вартістю та простотою виробництва. Для підвищення ефективності вчені застосували радіальні резонатори, які зменшують втрати енергії. Охолодження генераторів рідким азотом до температури 77 кельвінів дозволило збільшити вихідну потужність у 5−10 разів, що стало важливим кроком до практичного використання.

Ще одна перспективна розробка — перетворювачі частоти, які підсилюють сигнали в терагерцевому діапазоні. Ці пристрої базуються на кремнієвих структурах і можуть працювати як підсилювачі чи передавачі в системах зв’язку. Їхня висока нелінійність відкриває шлях до створення компактних і ефективних компонентів для електроніки наступного покоління. У майбутньому вчені планують інтегрувати в ці технології квантові точки — наночастинки, які покращать характеристики приладів завдяки квантово-механічним ефектам.

У сфері радіобачення терагерцеві хвилі дозволяють отримувати тривимірні зображення з високою деталізацією. Такі системи конкурують із рентгенівськими апаратами за якістю картинки, але є безпечнішими й дешевшими. Для цього розробляються матриці детекторів, подібні до тих, що використовуються в тепловізорах. Піроелектричні приймачі, які реагують на зміну температури, уже застосовуються для створення таких матриць, що може зробити технологію доступною ширшому колу користувачів.

На жаль, в Україні розвиток цих досліджень ускладнений через обмежене фінансування та наслідки війни. Більшість передових результатів у цій галузі отримані за кордоном, де активно працюють над комерціалізацією технологій. Проте автори статті наголошують на необхідності привернути увагу вітчизняних розробників до можливостей терагерцевого діапазону. Вони переконані, що подальший прогрес залежить від створення простих і доступних джерел випромінювання та приймачів, а також від співпраці з іншими науковими центрами, такими як Інститут фізики напівпровідників у Харкові.