Forskere udvikler elektrisk indstillelige grafenenheder til at studere sjælden fysik

Et internationalt team, ledet af forskere ved University of Manchesters National Graphene Institute (NGI) i Storbritannien og Penn State College of Engineering i USA, har udviklet en tunbar grafenbaseret platform, der giver mulighed for fin kontrol over interaktionen mellem lys og stof i terahertz (THz) spektret for at afsløre sjældne fænomener kendt som exceptionelle punkter. Holdet offentliggjorde deres resultater i dag i Science .

Arbejdet kunne fremme optoelektroniske teknologier til bedre at generere, kontrollere og fornemme lys og potentielt kommunikation, ifølge forskerne. De demonstrerede en måde at kontrollere THz-bølger på, som findes ved frekvenser mellem mikrobølger og infrarøde bølger. Bedriften kunne bidrage til udviklingen af ​​'beyond-5G' trådløs teknologi til højhastighedskommunikationsnetværk.

Svage og stærke interaktioner

Lys og stof kan kobles sammen og interagerer på forskellige niveauer:svagt, hvor de kan være korrelerede, men ikke ændrer hinandens bestanddele; eller stærkt, hvor deres interaktioner fundamentalt kan ændre systemet. Evnen til at kontrollere, hvordan koblingen skifter fra svag til stærk og tilbage igen, har været en stor udfordring for avancerede optoelektroniske enheder - en udfordring forskerne nu har løst.

"Vi har demonstreret en ny klasse af optoelektroniske enheder ved hjælp af begreber inden for topologi - en gren af ​​matematik, der studerer egenskaber af geometriske objekter," sagde co-korresponderende forfatter Coskun Kocabas, professor i 2D-enhedsmaterialer ved University of Manchester. "Ved at bruge exceptionelle punktsingulariteter viser vi, at topologiske koncepter kan bruges til at konstruere optoelektroniske enheder, der muliggør nye måder at manipulere terahertz-lys på."

Kocabas er også tilknyttet Henry Royce Institute for Advanced Materials, med hovedkontor i Manchester.

Ekstraordinære punkter er spektrale singulariteter - punkter, hvor to spektrale værdier i et åbent system smelter sammen. De er, ikke overraskende, usædvanligt følsomme og reagerer på selv de mindste ændringer i systemet, og afslører nysgerrige, men alligevel ønskværdige egenskaber, ifølge den medkorresponderende forfatter Şahin K. Özdemir, lektor i ingeniørvidenskab og mekanik ved Penn State.

"På et ekstraordinært tidspunkt er systemets energilandskab betydeligt modificeret, hvilket resulterer i reduceret dimensionalitet og skæv topologi," sagde Özdemir, som også er tilknyttet Materials Research Institute, Penn State. "Dette forbedrer igen systemets reaktion på forstyrrelser, modificerer den lokale tæthed af stater, hvilket fører til forøgelse af spontane emissionsrater og fører til et væld af fænomener. Kontrol af exceptionelle punkter og de fysiske processer, der opstår ved dem, kunne føre til applikationer til bedre sensorer, billeddannelse, lasere og meget mere."

Platformsammensætning

Platformen, som forskerne udviklede, består af en grafen-baseret afstembar THz-resonator med en guldfolie-gateelektrode, der danner et bundreflekterende spejl. Over det er et grafenlag afsluttet med elektroder, der danner et afstembart topspejl. Et ikke-flygtigt ionisk flydende elektrolytlag sidder mellem spejlene, hvilket muliggør kontrol af topspejlets reflektionsevne ved at ændre den påførte spænding. I midten af ​​enheden, mellem spejlene, er molekyler af alfa-lactose, et sukker, der almindeligvis findes i mælk.

Systemet styres af to justeringsanordninger. Man hæver det nederste spejl for at ændre længden af ​​hulrummet - tuning af resonansfrekvensen for at koble lyset med de kollektive vibrationstilstande af de organiske sukkermolekyler, som tjener som et fast antal oscillatorer for systemet. Den anden justeringsanordning ændrer spændingen, der påføres det øverste grafenspejl - ændrer grafenens reflekterende egenskaber for at ændre energitabets ubalancer for at justere koblingsstyrken. Den delikate, finjustering skifter svagt koblede terahertz-lys og organiske molekyler til at blive stærkt koblede og omvendt.

"Exceptionelle punkter falder sammen med overgangspunktet mellem de svage og stærke koblingsregimer af terahertz-lys med kollektive molekylære vibrationer," sagde Özdemir.

Han bemærkede, at disse singularitetspunkter typisk studeres og observeres i koblingen af ​​analoge tilstande eller systemer, såsom to optiske tilstande, elektroniske tilstande eller akustiske tilstande.

"Dette arbejde er et af de sjældne tilfælde, hvor usædvanlige punkter viser sig at dukke op i koblingen af ​​to tilstande med forskellig fysisk oprindelse," sagde Kocabas. "På grund af topologien af ​​de ekstraordinære punkter observerede vi en betydelig modulation i størrelsen og fasen af ​​terahertz-lyset, som kunne finde anvendelser i næste generations THz-kommunikation."

Hidtil uset fasemodulation i THz-spektret

Efterhånden som forskerne anvender spænding og justerer resonansen, driver de systemet til et exceptionelt punkt og videre. Før, ved og uden for det exceptionelle punkt, ændres de geometriske egenskaber – topologien – af systemet.

En sådan ændring er fasemodulationen, som beskriver, hvordan en bølge ændrer sig, når den forplanter sig og interagerer i THz-feltet. At kontrollere fasen og amplituden af ​​THz-bølger er en teknologisk udfordring, sagde forskerne, men deres platform demonstrerer hidtil usete niveauer af fasemodulation. Forskerne flyttede systemet gennem exceptionelle punkter såvel som langs sløjfer omkring exceptionelle punkter i forskellige retninger og målte, hvordan det reagerede gennem ændringerne. Afhængigt af systemets topologi på målepunktet kan fasemodulation variere fra nul til fire størrelser større.

"Vi kan elektrisk styre enheden gennem et enestående punkt, som muliggør elektrisk kontrol på refleksionstopologi," sagde førsteforfatter M. Said Ergoktas. "Kun ved at kontrollere topologien af ​​systemet elektronisk kunne vi opnå disse enorme modulationer."

Ifølge forskerne har den topologiske kontrol af lys-stof-interaktioner omkring et enestående punkt muliggjort af den grafenbaserede platform potentielle anvendelser lige fra topologiske optoelektroniske og kvanteenheder til topologisk kontrol af fysiske og kemiske processer. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler en 'ekstraordinær' overflade til at udforske eksotisk fysik