Открыт способ «синхронизировать» электроны: устройство весом 1,7 кг генерирует сигнал с точностью 0,0001%

22.04.2025 18:26:00 | iXBT.com

Учёные совершили прорыв в создании компактных устройств, генерирующих терагерцовые волны с рекордной точностью. Новая технология использует управляемые пучки электронов (эффект Смита-Парселла) для получения сигналов с рекордно точным спектром — отклонение по частоте не превышает 0,3 кГц, а спектр можно плавно настраивать. Для сравнения: предыдущие аналоги имели погрешность в тысячи раз больше, что ограничивало их применение в медицине и системах связи.

Принцип работы устройства напоминает точную настройку радиоволн, но в терагерцовом диапазоне. Слабый сигнал «накачки» упорядочивает движение электронов в пучке, заставляя их синхронно взаимодействовать с микрорешёткой из меди. Этот процесс создаёт цепную реакцию: сгруппированные электроны усиливают излучение, которое, в свою очередь, ещё больше сжимает пучок. В результате формируются сверхстабильные импульсы — как миллионы синхронизированных метрономов, работающих в унисон.

Схема устройства для генерации стимулированного сверхизлучения Смита-Парселла, состоящего из трёх секций: предварительного группирования электронов, их сжатия и излучения гармоник. Благодаря эффекту пучок свободных электронов формирует сверхплотные сгустки, что позволяет наблюдать рекордно узкий спектр излучения в терагерцовом диапазоне. Источник: eLight (2025). DOI: 10.1186/s43593-025-00083-z

Ключевое преимущество технологии — сочетание точности и портативности. Устройство размером с небольшую коробку (22×7×6,5 см) и весом 1,68 кг способно не только выдавать сигнал с погрешностью 0,0001%, но и плавно настраивать ширину спектра от 0,3 до 900 кГц. Это стало возможным благодаря подавлению главных «врагов» стабильности: колебаний энергии электронов и их взаимного отталкивания. Например, при сканировании мозга для обнаружения опухолей такая точность позволит отличать здоровые клетки от поражённых без инвазивных процедур.

Эксперименты подтвердили, что система сохраняет стабильность частоты даже при изменении параметров электронного пучка. В тестах третья гармоника устройства выдала 46 мВт мощности на частоте 291,7 ГГц — этого достаточно для работы современных терагерцовых сканеров. Технология уже сегодня может быть интегрирована в аппараты МРТ нового поколения или линии связи 6G, где критически важна чистота сигнала.

Перспективы разработки связаны с её универсальностью. Помимо медицинской диагностики, её можно использовать в системах безопасности для обнаружения скрытых объектов, в автономных автомобилях для всепогодного «зрения» или в квантовых компьютерах для управления кубитами. Учёные отмечают, что следующий шаг — адаптация метода для других частотных диапазонов, что может привести к появлению новых ускорителей частиц и типов лазеров. Это открывает путь к технологиям, которые сегодня кажутся фантастикой — например, персональным устройствам для мгновенного анализа состава веществ.

Подробнее