Mensen gebruiken elke dag elektromagnetische energie … televisie kijken, naar de radio luisteren, maïs knallen met een magnetron, een röntgenfoto maken of een mobiele telefoon gebruiken. Deze energie reist in de vorm van golven, die veel worden gebruikt in elektronische en draadloze apparaten.

Een van de heetste gebieden van het elektromagnetische spectrum dat vandaag wordt onderzocht, is het terahertz (THz) -bereik. Terahertz-golven, liggend tussen microgolf- en optische frequenties, bieden verbeterde prestaties voor een verscheidenheid aan toepassingen in het dagelijks leven. Bijvoorbeeld, THz-golven kunnen meer informatie bevatten dan radio/microgolven voor communicatieapparatuur. Ze bieden ook medische en biologische beelden met een hogere resolutie dan microgolven, terwijl het een veel kleinere potentiële schade aan blootstelling biedt dan röntgenstralen.

Onderzoekers van de Universiteit van Notre Dame hebben aangetoond dat het mogelijk is om THz-elektromagnetische golven efficiënt te manipuleren met atomair dunne grafeenlagen. Deze prestatie, die onlangs werd gepubliceerd in Nature Communications, zet de toon voor de ontwikkeling van compacte, efficiënte en kosteneffectieve apparaten en systemen die in de THz-band werken.

“Een belangrijk knelpunt in de belofte van THz-technologie is het gebrek aan efficiënte materialen en apparaten die deze energiegolven manipuleren, ” zegt Berardi Sensale-Rodriguez, een afgestudeerde student aan de afdeling Elektrotechniek aan de Notre Dame. "Het hebben van een natuurlijk tweedimensionaal materiaal met een sterke en afstembare respons op THz-golven - bijvoorbeeld, grafeen — geeft ons de mogelijkheid om THz-apparaten te ontwerpen die ongekende prestaties leveren.”

Het terahertz-team — afgestudeerde studenten Sensale-Rodriguez, Rusen Yan, Kristof Tahy en Tian Fang; onderzoeksassistent professoren Michelle M. Kelly, via Centrum voor Nano Wetenschap en Technologie (NDnano), en Lei Liu, in samenwerking met Advanced Diagnostics and Therapeutics in de Notre Dame (AD&T); gastonderzoeksassistent professor Wan Sik Hwang, met Midwest Institute for Nanoelectronics Discovery (MIND); universitair hoofddocent Debdeep Jena en John Cardinal O'Hara, CSC, Universitair hoofddocent Huili (Grace) Xing - heeft het eerste proof-of-concept-prototype van een op grafeen gebaseerde THz-modulator gedemonstreerd, een apparaat dat uitsluitend wordt ingeschakeld door intraband-overgangen in grafeen.

grafeen, een atoomdik halfgeleidermateriaal, heeft veelbelovende elektrische, mechanische en thermische eigenschappen die hebben geleid tot de recente demonstratie van snelle transistors, flexibele/transparante elektronica, optische apparaten en nu terahertz actieve componenten.

“Grafeen is aangeprezen als een ideaal platform om nieuwe, evenals bewijzen / betwisten bestaande, fysieke verschijnselen sinds 2004, " zei Xing. "Dat is wat twee natuurkundigen in het Verenigd Koninkrijk, Andre Geim en Konstantin Novoselov, kregen in 2010 de Nobelprijs voor tot nu toe zijn er maar heel weinig echte toepassingen van grafeen ontstaan. Het gebruik van grafeen om THz-golven te manipuleren is een van die toepassingen. Dit Nature Communication-paper documenteerde onze eerste experimentele poging om de voorspellingen te realiseren in ons paper dat vorig jaar in Applied Physics Letters werd gepubliceerd. Apparaten met betere prestaties blijven onze laboratoria uitrollen.

“Hoewel professor Jena en ik in 2006 de visie vormden om tweedimensionaal elektronengas te gebruiken om THz-golven te manipuleren, het was niet tot Michelle, Lei en Berardi voegden zich bij ons dat dit werk mogelijk was, ’ voegde Xing eraan toe.