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T&M NUMERICAL SIMULATION ne per attraversare fisicamente un transistor. Si tratta ov- viamente di un’immagine molto semplificata, ma spiega il motivo per cui sono stati compiuti progressi sostanziali riducendo le dimensioni dei transistor e sviluppando tran- sistor ad alta mobilità di elettroni (High-Electron-Mobility Transistors, HEMT). Sebbene i progressi siano stati costan- ti, è diventato chiaro che sono necessari approcci fonda- mentalmente nuovi. Dall’altra parte del THz gap ci sono gli spettri dell’infraros- so e dell’ottico, che sono dominati dai fotoni. Da un punto di vista concettuale, il limite inferiore dello spettro IR può essere considerato come la quantità di energia fotonica ne- cessaria per eccitare il band gap di un semiconduttore, un processo limitato in ultima analisi dalla temperatura ope- rativa del dispositivo. A titolo di riferimento, l’energia dei fotoni associata a una temperatura ambiente di 20 ºC è di 25 MeV, mentre l’energia dei fotoni a 1 THz è di 4,1 MeV, che corrisponde a una temperatura di 48 K. Di conseguenza, i band gap nei THz saranno termicamente popolati a tempe- ratura ambiente, rendendoli inutilizzabili senza un ulterio- re raffreddamento. Questo limita fortemente l’uso di molti componenti ottici tradizionali, come i fotodiodi e i laser a cascata quantica (QCL). Progressi e sviluppo della tecnologia THz Nonostante questi ostacoli, nell’ultimo decennio si è re- gistrato un discreto progresso nella commercializzazio- ne di sorgenti e rivelatori ai THz, in gran parte grazie alla miniaturizzazione e alla maggiore resistenza dei sistemi laser commerciali. Sebbene i sistemi di spettroscopia ai THz da tavolo esistano nei laboratori di ricerca da oltre 30 anni, sono piuttosto sensibili all’ambiente in cui si trovano perché si basano su impulsi ottici ultracorti provenienti da sistemi laser a femtosecondi. Gli impulsi ultraveloci sono combinati con antenne fotoconduttive o processi ottici non lineari per generare e rilevare le onde ai THz. Poiché que- sti sistemi laser ultraveloci richiedono da sempre ambienti controllati e regolazioni costanti per ottenere prestazioni adeguate, non si sono dimostrati adatti per un’applicazione industriale su larga scala. Poco più di un decennio fa, tuttavia, i progressi nei siste- mi stabili “chiavi in mano” hanno portato ai primi sistemi di spettroscopia ai THz disponibili in commercio. I sistemi nel dominio del tempo si basano tipicamente su laser ultra- veloci e antenne fotoconduttive accoppiate a fibre, mentre i sistemi nel dominio della frequenza sostituiscono il laser ultraveloce con due laser a onda continua (CW) sintonizzati in modo che la loro frequenza di beat sia nello spettro dei THz. Altri metodi di rilevamento passivo, come i bolometri e i rivelatori piroelettrici, sono molto meno comuni nei si- stemi ai THz. Lo sviluppo di sorgenti e rivelatori commerciali ai THz è an- cora in fase iniziale e solo un piccolo numero di componenti ottici ai THz è disponibile in commercio. Le lenti e i divisori di fascio disponibili hanno in qualche modo colmato que- sta lacuna, ma sono piuttosto ingombranti, il che aumenta sostanzialmente le dimensioni di un sistema ai THz e po- trebbe limitarne l’adozione. I componenti passivi più parti- colari, come gli assorbitori perfetti a basso profilo o i filtri, esistono in linea di massima solo nei laboratori di ricerca, mentre i componenti attivi in grado di modulare fase, am- piezza, direzione o polarizzazione del fascio sono ancora più rari e si trovano più facilmente nelle pubblicazioni ac- cademiche che nelle offerte commerciali. La ricerca e lo sviluppo di nuovi componenti ai THz si ba- sano su software di simulazione elettromagnetica per pro- gettare dispositivi su misura. La crescita e la disponibilità diffusa di software di simulazione numerica hannomiglio- rato la prevedibilità e l’accessibilità per la progettazione di componenti ai THz. La simulazione multifisica consente di creare senza difficoltà progetti sofisticati che combinano la tecnologia dei metamateriali con materiali a cambiamento di fase, come il VO 2 controllato termicamente o il biossido di vanadio. Questa accessibilità dovrebbe incrementare la disponibilità di componenti ottici personalizzati ai THz e pronti per l’uso nel prossimo decennio. Ottimizzare gli assorbitori nei THz con la simula- zione La prototipazione virtuale di un assorbitore perfetto nei THz è un buon esempio di come la simulazione faccia progredire lo sviluppo dei componenti ai THz. Gli assorbitori nei THz possono fornire un filtraggio spaziale e in frequenza o po- tenziare alcuni tipi di rivelatori ai THz. Il potenziamento dei rivelatori è importante perché la maggior parte dei mate- riali ha una risposta elettromagnetica relativamente debole nel regime dei THz, mentre i metamateriali appositamente progettati possono raggiungere un assorbimento perfetto in un film di spessore inferiore alla lunghezza d’onda. Grazie alla simulazione numerica, i ricercatori hanno otti- mizzato i progetti degli assorbitori per ottenere un assor- bimento perfetto a frequenze specifiche, un assorbimento elevato su ampie larghezze di banda e una sensibilità o in- sensibilità alla polarizzazione. Queste caratteristiche, com- binate con un ingombro delle celle unitarie del metamate- riale inferiore alla lunghezza d’onda, possono consentire array di pixel ad alta risoluzione o rivelatori ottimizzati per specifiche segnature chimiche. Come esempio specifico, la figura 3 illustra la prima dimo- strazione sperimentale di assorbimento quasi unitario a frequenze THz 1,2 . La figura 4 mostra lo spettro di assorbi- mento calcolato corrispondente. La struttura è un risona- ELETTRONICA OGGI 512 - SETTEMBRE 2023 62