Afstembar grafenenhed demonstreret:Første værktøj i sættet til at sætte terahertz-lys i arbejde

Langbølget terahertz-lys er usynligt – det er i den fjerneste ende af det fjerne infrarøde område – men det er nyttigt til alt fra at opdage sprængstoffer i lufthavnen til at designe lægemidler til at diagnosticere hudkræft. Nu, for første gang, forskere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California i Berkeley har demonstreret en enhed i mikroskala lavet af grafen – den bemærkelsesværdige form for kulstof, der kun er ét atom tyk – hvis stærke respons på lys ved terahertz-frekvenser kan tunes med udsøgt præcision.

"Hjertet i vores enhed er et array lavet af grafenbånd, der kun er en milliontedel af en meter brede, " siger Feng Wang fra Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab, som også er assisterende professor i fysik ved UC Berkeley, og hvem ledede forskerholdet. "Ved at variere bredden af ​​båndene og koncentrationen af ​​ladningsbærere i dem, vi kan kontrollere de kollektive oscillationer af elektroner i mikrobåndene."

Navnet på sådanne kollektive svingninger af elektroner er "plasmoner, "et ord, der lyder abstruerende, men som beskriver effekter lige så velkendte som de glødende farver i farvede glasvinduer.

"Plasmoner i højfrekvent synligt lys sker i tredimensionelle metal-nanostrukturer, " siger Wang. Farverne på middelalderlige farvede glas, for eksempel, resultat af oscillerende samlinger af elektroner på overfladen af ​​nanopartikler af guld, kobber, og andre metaller, og afhænger af deres størrelse og form. "Men grafen er kun et atom tykt, og dens elektroner bevæger sig kun i to dimensioner. I 2D -systemer, plasmoner forekommer ved meget lavere frekvenser. "

Bølgelængden af ​​terahertz-stråling måles i hundredvis af mikrometer (milliontedele af en meter), alligevel er bredden af ​​grafenbåndene i den eksperimentelle enhed kun én til fire mikrometer hver.

"Et materiale, der består af strukturer med dimensioner, der er meget mindre end den relevante bølgelængde, og som udviser optiske egenskaber, der er tydeligt forskellige fra bulkmaterialet, kaldes et metamateriale, "siger Wang." Så vi har ikke kun foretaget de første undersøgelser af lys- og plasmonkobling i grafen, vi har også skabt en prototype til fremtidige grafen-baserede metamaterialer i terahertz-serien."

Holdet rapporterer deres forskning i Natur nanoteknologi , tilgængelig i avanceret online publikation.

Hvordan man skubber plasmonerne

I todimensional grafen, elektroner har en lille hvilemasse og reagerer hurtigt på elektriske felter. En plasmon beskriver den kollektive oscillation af mange elektroner, og dets frekvens afhænger af, hvor hurtigt bølger i dette elektronhav skvulper frem og tilbage mellem kanterne af et grafenmikrobånd. Når lys af samme frekvens påføres, resultatet er "resonant excitation, " en markant stigning i svingningens styrke – og samtidig stærk absorption af lyset ved den frekvens. Da svingningernes frekvens er bestemt af bredden af ​​båndene, at variere deres bredde kan tune systemet til at absorbere forskellige frekvenser af lys.

Styrken af ​​lys-plasmon-koblingen kan også påvirkes af koncentrationen af ​​ladningsbærere – elektroner og deres positivt ladede modstykker, huller. Et bemærkelsesværdigt kendetegn ved grafen er, at koncentrationen af ​​dets ladningsbærere nemt kan øges eller mindskes blot ved at anvende et stærkt elektrisk felt - såkaldt elektrostatisk doping.

Berkeley-enheden inkorporerer begge disse metoder til at indstille responsen på terahertz-lys. Mikrobånd-arrays blev lavet ved at afsætte et atom-tykt lag kulstof på en plade af kobber, derefter overføre grafenlaget til et siliciumoxidsubstrat og ætse båndmønstre ind i det. En iongel med kontaktpunkter til at variere spændingen blev placeret oven på grafenen.

Det gatede grafen-mikroarray blev belyst med terahertz-stråling ved beamline 1.4 af Berkeley Labs Advanced Light Source, og transmissionsmålinger blev foretaget med beamline's infrarøde spektrometer. På denne måde demonstrerede forskerholdet kobling mellem lys og plasmoner, der var stærkere i en størrelsesorden end i andre 2D-systemer.

En sidste metode til at kontrollere plasmonstyrke og terahertz-absorption afhænger af polarisering. Lys, der skinner i samme retning som grafenbåndene, viser ingen variationer i absorption i henhold til frekvens. Men lys vinkelret på båndene - samme orientering som det oscillerende elektronhav - giver skarpe absorptionstoppe. Hvad mere er, lysabsorption i konventionelle 2D-halvledersystemer, såsom kvantebrønde, kan kun måles ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt. Berkeley-teamet målte fremtrædende absorptionstoppe ved stuetemperatur.

"Terahertz-stråling dækker et spektralområde, der er svært at arbejde med, fordi der indtil nu ikke har været værktøjer, "siger Wang." Nu har vi begyndelsen på et værktøjssæt til at arbejde i dette område, potentielt fører til en række grafen-baserede terahertz-metamaterialer."

Berkeleys eksperimentelle opsætning er kun en forløber for kommende enheder, som vil være i stand til at kontrollere polariseringen og ændre intensiteten af ​​terahertz lys og muliggøre andre optiske og elektroniske komponenter, i anvendelser fra medicinsk billeddiagnostik til astronomi – alt i to dimensioner.