Een team van onderzoekers uit Rusland, Groot Brittanië, Japan en Italië hebben een op grafeen gebaseerde terahertz-detector gemaakt. De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Elk systeem voor draadloze gegevensoverdracht is afhankelijk van bronnen en detectoren van elektromagnetische golven, maar ze zijn niet beschikbaar voor alle soorten golven. De bestaande bronnen van terahertzstraling, die een middenweg inneemt tussen microgolven en infrarood licht, verbruiken te veel stroom of vereisen intense koeling. Toch kunnen T-waves mogelijk snellere wifi mogelijk maken, nieuwe methoden van medische diagnostiek, en studies van ruimtevoorwerpen met behulp van radiotelescopen.

De reden voor de inefficiëntie van bestaande terahertz-detectoren is de mismatch tussen de grootte van het detectie-element, de transistor - ongeveer een miljoenste meter - en de typische golflengte van terahertzstraling, wat ongeveer 100 keer groter is. Hierdoor glijdt de golf zonder enige interactie langs de detector.

1996, werd voorgesteld om dit probleem aan te pakken, de energie van een invallende golf kan worden gecomprimeerd tot een volume vergelijkbaar met de grootte van de detector. Voor dit doeleinde, het detectormateriaal moet "compacte golven" van een speciaal soort ondersteunen, plasmonen genoemd. Ze vertegenwoordigen de collectieve beweging van geleidingselektronen en het bijbehorende elektromagnetische veld, niet anders dan de golven van de zee aan de oppervlakte die samen met de wind bewegen als een storm opkomt. In theorie, het rendement van een dergelijke detector wordt verder vergroot onder golfresonantie.

Het implementeren van een dergelijke detector bleek moeilijker dan verwacht. In de meeste halfgeleidermaterialen, plasmonen ondergaan een snelle demping - dat wil zeggen, ze sterven af ​​- als gevolg van elektronenbotsingen met onzuiverheden. Grafeen werd gezien als een veelbelovende uitweg, maar tot voor kort, het was niet schoon genoeg.

De auteurs van het onderzoek presenteerden een oplossing voor het al lang bestaande probleem van resonante T-golfdetectie. Ze creëerden een fotodetector (figuur 1) gemaakt van dubbellaags grafeen ingekapseld tussen kristallen van boornitride en gekoppeld aan een terahertz-antenne. In deze sandwichstructuur onzuiverheden worden verdreven naar de buitenkant van de grafeenvlok, waardoor plasmonen zich vrij kunnen voortplanten. De grafeenplaat opgesloten door metalen draden vormt een plasmonresonator, en de dubbellaagse structuur van grafeen maakt afstemming van de golfsnelheid in een breed bereik mogelijk.

In feite, het team heeft een compacte terahertz-spectrometer ontwikkeld, enkele micron groot, met de resonantiefrequentie geregeld via spanningsafstemming. De natuurkundigen hebben ook het potentieel van hun detector voor fundamenteel onderzoek aangetoond:door de stroom in de detector te meten bij verschillende frequenties en elektronendichtheden, plasmoneigenschappen kunnen worden onthuld.

"Ons apparaat fungeert ook als een gevoelige detector en een spectrometer die werkt in het terahertz-bereik, en het is ook een hulpmiddel voor het bestuderen van plasmonen in tweedimensionale materialen. Al deze dingen bestonden vroeger, maar ze namen een hele optische tafel in beslag. We hebben dezelfde functionaliteit in een dozijn micrometers verpakt, " zei co-auteur Dmitry Svintsov, die aan het hoofd staat van het Laboratorium voor 2-D Materialen voor Opto-elektronica aan het Moscow Institute of Physics.