Tohoku University Professor Taiichi Otsuji heeft een team van internationale onderzoekers geleid bij het succesvol demonstreren van een coherente amplificatie bij kamertemperatuur van terahertz (THz) straling in grafeen, elektrisch aangedreven door een droge cel batterij.

Ongeveer 40 jaar geleden, de komst van plasmagolfelektronica opende een schat aan nieuwe mogelijkheden. Wetenschappers waren gefascineerd door de mogelijkheid dat plasmagolven zich sneller konden voortplanten dan elektronen, wat suggereert dat zogenaamde "plasmonische" apparaten zouden kunnen werken op THz-frequenties. Echter, experimentele pogingen om dergelijke versterkers of emitters te realiseren bleven ongrijpbaar.

"Onze studie onderzocht THz licht-plasmon koppeling, licht absorptie, en versterking met behulp van een op grafeen gebaseerd systeem vanwege de uitstekende elektrische en optische eigenschappen bij kamertemperatuur, " zei professor Otsuji, die is gevestigd in het Ultra-Broadband Signal Processing Laboratory van het Research Institute of Electrical Communication (RIEC) van de Tohoku University.

Het onderzoeksteam, die bestond uit leden uit het Japans, Frans, Poolse en Russische instellingen, ontwierp een reeks monolaag-grafeenkanaaltransistorstructuren. Deze hadden een originele dubbele verzamelpoort die werkte als een zeer efficiënte antenne om de THz-straling en grafeenplasmonen te koppelen.

Met behulp van deze apparaten konden de onderzoekers afstembare resonante plasmonabsorptie aantonen die, met een toename van de stroom, resulteert in THz-stralingsversterking. De versterkingswinst van maximaal 9% werd waargenomen in het monolaag grafeen - ver boven het bekende mijlpaalniveau van 2,3% dat het maximum is dat beschikbaar is wanneer fotonen rechtstreeks interageren met elektronen zonder excitatie van grafeenplasmonen.

Om de resultaten te interpreteren, het onderzoeksteam gebruikte een dissipatief plasmonisch kristalmodel, het vastleggen van de belangrijkste trends en basisfysica van de versterkingsverschijnselen. specifiek, het model voorspelt de toename van de kanaalgelijkstroom die het systeem in een versterkingsregime drijft. Dit geeft aan dat de plasmagolven de gelijkstroomenergie op een coherente manier kunnen overbrengen naar de inkomende THz elektromagnetische golven.

"Omdat alle resultaten bij kamertemperatuur werden verkregen, onze experimentele resultaten effenen de weg naar verdere THz-plasmontechnologie met een nieuwe generatie volledig elektronische, resonerend, en spanningsgestuurde THz-versterkers, " voegde professor Otsuji eraan toe.