​Физики создали детектор терагерцового излучения на основе графена, использующий возбуждение плазмонов — своеобразных «волн» электронного «моря». Ученые смогли создать целый управляемый «шторм» из волн электронов. Теперь огромные приборные комплексы, занимавшие целые комнаты, можно заменить одним микрочипом. Статья с описанием работы опубликована в Nature Communications.

Любая система беспроводной передачи информации предполагает наличие источников и детекторов электромагнитных волн. Однако не для любых волн есть такие источники и детекторы. Например, для волн с частотами в окрестности одного терагерца (длина волны 0,3 мм) источники либо потребляют огромную электрическую мощность (как вакуумные лампы), либо требуют низких температур (как квантовые каскадные лазеры). Существующие детекторы в терагерцовом диапазоне обладают высоким уровнем шумов. При этом с использованием терагерцовых волн увеличится скорость передачи данных в Wi-Fi-системах, можно будет внедрять новые неинвазивные методы медицинской диагностики, а также открывать новые объекты в радиоастрономии.

Причина неэффективности существующих терагерцовых детекторов состоит в значительной разнице в длине волны излучения (доли миллиметра) и размере типичного детектирующего элемента — транзистора (единицы микрон и даже меньше). Можно считать, что волна «проскакивает» мимо обычного детектора, не замечая его. Выход из этой ситуации был указан в конце ХХ века, когда советские ученые Михаил Дьяконов и Михаил Шур предложили «спрессовать» электромагнитную энергию падающей волны в объем, сравнимый с объемом детектора. Это возможно, если материал детектора поддерживает особый тип «компактных» волн, называемых поверхностными плазмонами. Такие волны представляют собой согласованное движение электронов проводимости и электромагнитного поля, подобно согласованному движению ветра и поверхности морской воды при зарождении шторма. Эффективность предложенного плазмонного детектора в теории должна вырастать в разы, если на его длине укладывается определенное число длин волн плазмона. Это является проявлением общефизического принципа волнового резонанса, широко известного в практике музыкальных инструментов.

Экспериментальная реализация резонансного плазмонного детектора терагерцового излучения оказалась гораздо сложнее, чем в теории. В большинстве полупроводников плазмоны гаснут почти сразу после зарождения. Причина тому — сильные столкновения электронов с примесями и колеблющимися атомами. Проще говоря, многие материалы представляли для электронных волн не гладкую поверхность моря, а заросший пруд. Значительные надежды в этой сфере связывали с новым материалом — графеном, монослоем из атомов углерода. Однако и он не обладал до недавних пор достаточной степенью чистоты, и все попытки создания резонансного детектора — в том числе попытки группы авторов — были безуспешны.

В новой работе физики решили проблему резонансного детектирования терагерцовых волн. Созданный учеными фотодетектор представляет собой слой графена, подключенный парой контактов к терагерцовой антенне, с другой пары контактов считывается сигнальное напряжение. Слой графена играет роль резонатора для плазмонов. Ключевыми идеями, позволившими достичь резонанса, оказались «упаковка» графена между двумя кристаллами нитрида бора, использование двухслойного графена вместо однослойного, а также выверенные геометрические пропорции детектирующего элемента. В сэндвиче «нитрид бора — двухслойный графен — нитрид бора» примеси выталкиваются на края образца, давая путь для беспрепятственного распространения плазмонов. Двухслойность же графена открывает огромную свободу в электрической настройке скорости волн. С помощью напряжения на управляющем электроде (так называемом «затворе») авторам удалось вводить и выводить детектор из состояния резонанса, переключаясь между более чем десятью разными гармониками.

«Наш детектор является, по сути, компактным спектрометром терагерцового излучения, то есть по его сигналу можно узнать не только интенсивность света, но и его частоту, — комментирует один из авторов работы, сотрудник МФТИ Георгий Федоров. — В лабораторных спектрометрах это достигается путем перемещения зеркал. Здесь же прибор имеет размер в несколько микрон, а спектроскопия может осуществляться путем изменения электрического напряжения».

Хотя создание компактного детектора-спектрометра терагерцового излучения уже представляет собой важное практическое достижение, авторы вдобавок показали ценность данного устройства и для фундаментальной науки. Измеряя ток детектора при изменении концентрации электронов и частоты, можно изучать свойства самих поверхностных плазмонов — например, длину волны и время затухания. Раньше для этих же целей в лабораториях обычно использовался сканирующий ближнепольный микроскоп — прибор со сложной системой линз и зеркал, занимающий целый оптический стол.

«Наши устройства, помимо своего практического использования, предлагают еще и удобный метод для исследования плазмоники в двумерных материалах. Используя это метод, мы обнаружили новый необычный тип волн в электронном море графена, что послужит основой нашей дальнейшей деятельности», — поясняет другой автор, сотрудник Манчестерского университета Денис Бандурин.

Работа российской части коллектива была поддержана Российским научным фондом.

Похожие новости

  • 02/03/2018

    Первые испытания начались на коллайдере NICA в Дубне

    ​Ученые из США, Тель-Авива, Германии, Франции и России два дня назад начали эксперименты на коллайдере тяжелых ионов NICA в Дубне Московской области. Об этом на пресс-конференции в Новосибирске рассказал директор лаборатории физики высоких энергий Владимир Кекелидзе.
    534
  • 19/10/2018

    Математическая деформация времени помогла понять реальные квантовые системы

    ​Специалист по математической физике Сергей Филиппов из МФТИ вместе с польским коллегой из Университета Коперника нашёл способ классифицировать квантовые каналы при помощи деформации времени. Такая классификация поможет выделить квантовые системы с необычными и интересными свойствами.
    287
  • 29/08/2016

    Российские ученые первыми испытали детонационный ракетный двигатель

    ​Россия первой успешно испытала детонационный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) нового поколения на экологически чистом топливе, сообщает Фонд перспективных исследований (ФПИ)."Специализированная лаборатория "Детонационные ЖРД", созданная ФПИ в 2014 году на базе НПО "Энергомаш" - ведущего российского предприятия космической отрасли, провела первые в мире успешные испытания полноразмерного демонстратора детонационного жидкостного ракетного двигателя на топливной паре кислород-керосин", - говорится в сообщении фонда.
    1561
  • 06/12/2018

    Российские ученые приблизились к практической реализации сверхпроводимости

    ​Российские ученые при участии коллег из Польши разработали метод оптического наблюдения за процессом изменений кристаллической структуры металлических сплавов под воздействием сильных магнитных полей, сообщает издание IEEE Transaction on Magnetics.
    373
  • 10/09/2018

    Физики изучили свойства плазмонов в наноструктурированном графене

    Группа ученых из России и Австрии продемонстрировала, что взаимодействие между плазмонными колебаниями в наноструктурированном графене приводит к сильному сдвигу спектра поглощения света в дальнем инфракрасном диапазоне.
    586
  • 27/11/2017

    Композиционный материал из графена и дисульфида ванадия повысит емкость и скорость заряда литий-ионных батарей

    ​Ученые из Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН совместно с коллегами из СФУ и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» предложили использовать соединение графена с монослоем дисульфидом ванадия в качестве анодного материала для литий-ионных батарей.
    1257
  • 16/09/2016

    Российские ученые создали прибор для измерения длины сгустка частиц в ускорите

    ​Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) при поддержке гранта РНФ разработали новое поколение высокоскоростных электронно-оптических приборов для диагностики пучков в ускорителях заряженных частиц - диссектор на основе стрик-камеры.
    1715
  • 14/05/2018

    Ученые знают, как заставить проводник из графена лучше работать

    ​Графен – очень хороший проводник и перспективный материал, обладающий необычными свойствами. Сегодня ученые могут изготавливать уникально чистые образцы графена, которые содержат всего несколько примесей, мешающих его работе.
    378
  • 09/08/2018

    Ученые разработали микрокапсулы с квантовыми точками для диагностики рака

    Ученые Лаборатории нано-биоинженерии Инженерно-физического института биомедицины Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" Галина Нифонтова, Мария Звайзгне, Мария Барышникова и Игорь Набиев в сотрудничестве с исследователями из МФТИ, Института экспериментальной медицины Макса Планка (Германия) и Реймского университета Шампань-Арденн (Франция) разработали полиэлектролитные микрокапсулы со встроенными квантовыми точками, которые могут использоваться для диагностики и лечения онкологических заболеваний.
    348
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    321