Natuurkundigen van het MIPT en hun Britse en Russische collega's onthulden de mechanismen die leiden tot fotostroom in grafeen onder terahertz-straling. De krant gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven beëindigt een langdurig debat over de oorsprong van gelijkstroom in grafeen verlicht door hoogfrequente straling, en vormt ook de basis voor de ontwikkeling van zeer gevoelige terahertz-detectoren. Dergelijke detectoren hebben toepassingen in de medische diagnostiek, draadloze communicatie- en beveiligingssystemen.

In 2005, MIPT-alumni Andre Geim en Konstantin Novoselov hebben experimenteel het gedrag van elektronen in grafeen bestudeerd, een plat honingraatrooster van koolstofatomen. Ze ontdekten dat elektronen in grafeen reageren op elektromagnetische straling met een energie van kwantum, terwijl de gewone halfgeleiders een energiedrempel hebben waaronder het materiaal helemaal niet op licht reageert. Echter, de richting van elektronenbeweging in grafeen dat wordt blootgesteld aan straling is lang een punt van controverse gebleven, omdat er tal van factoren zijn die het in verschillende richtingen trekken. De controverse was vooral groot in het geval van de fotostroom veroorzaakt door terahertz-straling.

Terahertz-straling heeft een unieke reeks eigenschappen. Bijvoorbeeld, het passeert gemakkelijk veel diëlektrica zonder ze te ioniseren - dit is van bijzonder belang voor medische diagnose- of beveiligingssystemen. Een terahertz-camera kan wapens detecteren die verborgen zijn onder iemands kleding, en een medische scanner kan huidziekten in een vroeg stadium aan het licht brengen door de spectraallijnen ("vingerafdrukken") van karakteristieke biomoleculen in het terahertz-bereik te detecteren. Eindelijk, het verhogen van de draaggolffrequentie van Wi-Fi-apparaten van enkele tot honderden gigahertz (in het sub-terahertz-bereik) zal de bandbreedte proportioneel vergroten. Maar al deze toepassingen hebben een gevoelige, geluidsarme terahertz-detector die eenvoudig te vervaardigen is.

Een terahertz-detector ontworpen door onderzoekers van MIPT, MSPU en de Universiteit van Manchester is een grafeenvel (groen gekleurd in figuren één en twee) ingeklemd tussen diëlektrische lagen boornitride en elektrisch gekoppeld aan een terahertz-antenne - een metalen spiraal van ongeveer een millimeter groot. Als straling op de antenne valt, het schudt elektronen aan één kant van de grafeenplaat, terwijl de resulterende gelijkstroom aan de andere kant wordt gemeten. Het is de "verpakking" van grafeen in boornitride die recordhoge elektrische eigenschappen mogelijk maakt, waardoor de detector een gevoeligheid heeft die een stuk beter is dan de eerdere ontwerpen. Echter, het belangrijkste resultaat van het onderzoek is geen beter presterend instrument; het is het inzicht in de fysieke verschijnselen die verantwoordelijk zijn voor de fotostroom.

Er zijn drie hoofdeffecten die leiden tot elektrische stroom in grafeen dat wordt blootgesteld aan terahertz-straling. De eerste, het fotothermo-elektrisch effect, wordt veroorzaakt door het temperatuurverschil tussen de antenne-aansluiting en de detectie-aansluiting. Dit stuurt elektronen van de hete terminal naar de koude, als lucht die opstijgt van een warme radiator naar een koud plafond. Het tweede effect is de gelijkrichting van de stroom op de klemmen. Het blijkt dat de randen van grafeen alleen het hoogfrequente signaal van een bepaalde polariteit doorlaten. Het derde en meest interessante effect wordt plasmagolfrectificatie genoemd. We kunnen de antenneterminal zien als het opwekken van "golven in de elektronische zee" van de grafeenstrip, terwijl de meetterminal de gemiddelde stroom registreert die bij deze golven hoort.

"Eerdere pogingen om de fotostroom in dergelijke detectoren te verklaren, gebruikten slechts één van deze mechanismen en sloten alle andere uit, " zegt Dmitry Svintsov van MIPT. "In werkelijkheid, ze zijn alle drie in het spel, en onze studie vond welk effect domineert onder welke omstandigheden. Thermo-elektrische effecten domineren bij lage temperaturen, terwijl plasmonische rectificatie de overhand heeft bij hoge temperaturen en in instrumenten met een langer kanaal. En het belangrijkste is dat we erachter zijn gekomen hoe we een detector kunnen maken waarin de verschillende fotoresponsmechanismen elkaar niet opheffen, maar elkaar versterken."

Deze experimenten zullen bijdragen aan het beste ontwerp voor terahertz-detectoren en de ontwikkeling van detectieapparatuur op afstand voor gevaarlijke stoffen, veilige medische diagnostiek, en snelle draadloze communicatie.