В электромагнитном спектре терагерцовый свет находится между инфракрасным излучением и микроволнами. Он обладает огромным потенциалом для технологий завтрашнего дня: среди прочего, он может преуспеть в 5G, обеспечивая чрезвычайно быстрые соединения мобильной связи и беспроводные сети. Узкое место при переходе с гигагерцовых на терагерцовые частоты было вызвано недостаточно эффективными источниками и преобразователями. Немецко-испанская группа исследователей при участии Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф разработала систему материалов для генерации терагерцовых импульсов гораздо более эффективно, чем раньше. В ее основе - графен - сверхтонкий углеродный лист, покрытый металлической пластинчатой структурой.
Некоторое время назад группа экспертов, работающая над ускорителем ELBE, смогла показать, что графен может действовать как умножитель частоты: когда двумерный углерод облучается световыми импульсами в диапазоне низких терагерцовых частот, они преобразуются в более высокие частоты. До сих пор проблема заключалась в том, что для эффективной генерации таких терагерцовых импульсов требовались чрезвычайно сильные входные сигналы, которые, в свою очередь, могли быть получены только с помощью полномасштабного ускорителя частиц. «Это явно непрактично для будущих технических приложений», - объясняет основной автор исследования Ян-Кристоф Дейнерт из Института радиационной физики. «Итак, мы искали систему материалов, которая также работает с гораздо менее сильным воздействием, то есть с более низкой напряженностью поля».
С этой целью ученым Центра им. Гельмгольца вместе с коллегами из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий, Института фотонных наук, Университета Билефельда, Берлинского технического университета и Института исследований полимеров Макса Планка в Майнце, пришла в голову новая идея: преобразование частоты можно значительно улучшить, покрыв графен крошечными золотыми пластинками, которые обладают удивительным свойством.
«Они действуют как антенны, которые значительно усиливают входящее терагерцовое излучение в графене», - объясняет координатор проекта Клаас-Ян Тиелрой. «В результате мы получаем очень сильные поля там, где графен обнажается между ламелями. Это позволяет нам очень эффективно генерировать терагерцовые импульсы». Это удивительно эффективное умножение частоты.
Чтобы проверить идею, члены команды изготовили образцы: сначала они нанесли один слой графена на стеклянный носитель. Сверху они напылили ультратонкий изолирующий слой оксида алюминия, а затем решетку из полосок золота. Затем образцы были доставлены на терагерцовую установку TELBE, где на них воздействовали световыми импульсами в низком терагерцовом диапазоне (от 0,3 до 0,7 ТГц). Во время этого процесса специалисты использовали специальные детекторы, чтобы проанализировать, насколько эффективно графен, покрытый золотыми пластинками, может умножать частоту падающего излучения.
«Это сработало очень хорошо, - рад сообщить Сергей Ковалев. Он отвечает за установку TELBE в Центре им. Гельмгольца. «По сравнению с необработанным графеном, гораздо более слабые входные сигналы были достаточны для создания сигнала с умножением частоты». Выражаясь цифрами, всего одной десятой изначально необходимой напряженности поля было достаточно, чтобы наблюдать умножение частоты. А при технологически приемлемой низкой напряженности поля мощность преобразованных терагерцовых импульсов более чем в тысячу раз выше благодаря новой системе материалов. Чем шире отдельные ламели и чем меньше остаются обнаженные участки графена, тем более выражено явление. Изначально специалистам удавалось утроить входящие частоты. Позже они добились еще больших эффектов - пяти, семи и даже девятикратного увеличения входной частоты.
Это открывает очень интересную перспективу, потому что до сих пор ученым требовались большие и сложные устройства, такие как ускорители или большие лазеры, для генерации терагерцовых волн. Благодаря новому материалу можно было бы также достичь скачка с гигагерц на терагерцы исключительно с помощью электрических входных сигналов, то есть с гораздо меньшими усилиями. «Наш метаматериал на основе графена был бы вполне совместим с современной полупроводниковой технологией», - подчеркивает Дейнерт. «В принципе, его можно интегрировать в обычные микросхемы». Он и его команда доказали реализуемость нового процесса, и теперь может стать возможной реализация в конкретных сборках.
Возможности применения могут быть огромными: поскольку терагерцевые волны имеют более высокие частоты, чем гигагерцовые частоты мобильной связи, используемые сегодня, их можно использовать для передачи значительно большего количества беспроводных данных - 5G станет 6G. Но терагерцовый диапазон представляет интерес и для других областей - от контроля качества в промышленности и сканеров безопасности в аэропортах до широкого спектра научных приложений, например, для исследования материалов.
Исследовательская группа представила свои результаты в журнале ACS Nano.
Источник: ScitechDaily