Ny T-bølgedetektor bruger bølger fra det elektroniske hav i grafen

Et team af forskere fra Rusland, Storbritanien, Japan og Italien har skabt en grafen-baseret terahertz-detektor. Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Ethvert system til trådløs dataoverførsel er afhængig af elektromagnetiske bølgekilder og detektorer, men de er ikke tilgængelige for alle slags bølger. De eksisterende kilder til terahertz-stråling, som indtager en mellemting mellem mikrobølger og infrarødt lys, bruger for meget strøm eller kræver intens afkøling. Alligevel kunne T-bølger potentielt muliggøre hurtigere Wi-Fi, nye metoder til medicinsk diagnostik, og studier af rumobjekter ved hjælp af radioteleskoper.

Årsagen til ineffektiviteten af ​​eksisterende terahertz-detektorer er misforholdet mellem størrelsen af ​​detekteringselementet, transistoren - omkring en milliontedel af en meter - og den typiske bølgelængde for terahertz-stråling, hvilket er omkring 100 gange større. Dette resulterer i, at bølgen glider forbi detektoren uden interaktion.

I 1996 det blev foreslået, at for at løse dette problem, energien af ​​en indfaldende bølge kunne komprimeres til et volumen, der kan sammenlignes med størrelsen af ​​detektoren. Til dette formål, detektormaterialet skal understøtte "kompakte bølger" af en særlig art, kaldet plasmoner. De repræsenterer den kollektive bevægelse af ledningselektroner og det tilhørende elektromagnetiske felt, ikke ulig havets overfladebølger, der bevæger sig sammen med vinden, når en storm sætter ind. I teorien, effektiviteten af ​​en sådan detektor øges yderligere under bølgeresonans.

Implementering af en sådan detektor viste sig sværere end forventet. I de fleste halvledermaterialer, plasmoner gennemgår hurtig dæmpning - dvs. de dør ud - på grund af elektronkollisioner med urenheder. Grafen blev set som en lovende udvej, men indtil for nylig, det var ikke rent nok.

Forfatterne af forskningen præsenterede en løsning på det langvarige problem med resonans T-bølgedetektion. De skabte en fotodetektor (figur 1) lavet af tolagsgrafen indkapslet mellem krystaller af bornitrid og koblet til en terahertz-antenne. I denne sandwichstruktur, urenheder udstødes til det ydre af grafenflagen, gør det muligt for plasmoner at formere sig frit. Grafenpladen begrænset af metalledninger danner en plasmonresonator, og tolagsstrukturen af ​​grafen muliggør tuning af bølgehastighed i et bredt område.

Faktisk, holdet har udviklet et kompakt terahertz-spektrometer, flere mikrometer i størrelse, med resonansfrekvensen styret via spændingsjustering. Fysikerne har også vist deres detektors potentiale til grundforskning:Ved at måle strømmen i detektoren ved forskellige frekvenser og elektrontætheder, plasmonegenskaber kan afsløres.

"Vores enhed fungerer som en følsom detektor og et spektrometer, der fungerer i terahertz-området, og det er også et værktøj til at studere plasmoner i todimensionelle materialer. Alle disse ting eksisterede før, men de tog et helt optisk bord. Vi pakkede den samme funktionalitet ind i et dusin mikrometer, " sagde medforfatter Dmitry Svintsov, der leder Laboratory of 2-D Materials for Optolectronics ved Moscow Institute of Physics.