Baner vejen for afstembare grafen plasmoniske THz-forstærkere

Tohoku University Professor Taiichi Otsuji har ledet et team af internationale forskere med succes at demonstrere en stuetemperatur kohærent forstærkning af terahertz (THz) stråling i grafen, elektrisk drevet af et tørcellebatteri.

For omkring 40 år siden, ankomsten af ​​plasmabølgeelektronik åbnede et væld af nye muligheder. Forskere var fascineret af muligheden for, at plasmabølger kunne forplante sig hurtigere end elektroner, tyder på, at såkaldte "plasmoniske" enheder kunne arbejde ved THz-frekvenser. Imidlertid, eksperimentelle forsøg på at realisere sådanne forstærkere eller emittere forblev uhåndgribelige.

"Vores undersøgelse udforskede THz lys-plasmon kobling, lysabsorption, og forstærkning ved hjælp af et grafenbaseret system på grund af dets fremragende elektriske og optiske egenskaber ved stuetemperatur, " sagde professor Otsuji, som er baseret på Ultra-Broadband Signal Processing Laboratory ved Tohoku University's Research Institute of Electrical Communication (RIEC).

Forskerholdet, som bestod af medlemmer fra japansk, Fransk, polske og russiske institutioner, designet en række monolag-grafenkanaltransistorstrukturer. Disse indeholdt en original dual-gathering-port, der fungerede som en meget effektiv antenne til at koble THz-strålingerne og grafen-plasmonerne.

Ved at bruge disse enheder tillod forskerne at demonstrere tunbar resonant plasmonabsorption, med en stigning i strøm, resulterer i THz-strålingsforstærkning. Forstærkningsforstærkningen på op til 9% blev observeret i monolagsgrafen - langt ud over det velkendte skelsættende niveau på 2,3%, som er det maksimale tilgængeligt, når fotoner direkte interagerer med elektroner uden excitation af grafenplasmoner.

For at fortolke resultaterne, forskerholdet brugte en dissipativ plasmonisk krystalmodel, indfange de vigtigste tendenser og grundlæggende fysik for amplifikationsfænomenerne. Specifikt, modellen forudsiger stigningen i kanalens jævnstrøm, der driver systemet ind i et forstærkningsregime. Dette indikerer, at plasmabølgerne kan overføre jævnstrømsenergien til de indkommende THz elektromagnetiske bølger på en sammenhængende måde.

"Fordi alle resultater blev opnået ved stuetemperatur, vores eksperimentelle resultater baner vejen mod yderligere THz plasmonisk teknologi med en ny generation af helelektroniske, resonans, og spændingsstyrede THz-forstærkere, " tilføjede professor Otsuji.