Некоторое время назад группа экспертов, работающая над ускорителем HZDR 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. 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.«Очевидно, что это непрактично для будущих технических приложений», – объясняет основной автор исследования Ян-Кристоф Дайнерт из Института радиационной физики HZDR. "Итак, мы искали материальную систему, которая также работала бы с гораздо менее агрессивным воздействием, я.е., с более низкой напряженностью поля."
С этой целью ученые HZDR вместе с коллегами из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2), Института фотонных наук (ICFO), Университета Билефельда, Берлинского технического университета и Института исследований полимеров Макса Планка в Майнце, пришла к новой идее: 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 из ICN2. «В результате мы получаем очень сильные поля там, где графен обнажается между ламелями. Это позволяет нам очень эффективно генерировать терагерцовые импульсы."
Удивительно эффективное умножение частоты
Чтобы проверить идею, члены команды ICN2 в Барселоне создали образцы: сначала они нанесли один слой графена на стеклянный носитель. Сверху они напылением из паровой фазы ультратонкий изолирующий слой оксида алюминия, за которым следует решетка из полосок золота. Затем образцы были доставлены на терагерцовую установку TELBE в Дрезден-Россендорфе, где на них воздействовали световыми импульсами в низком терагерцовом диапазоне (0.От 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 HZDR. "По сравнению с необработанным графеном, для получения сигнала с умножением частоты было достаточно гораздо более слабых входных сигналов."Выражаясь в цифрах, 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 большего эффекта – пяти, семи и даже девятикратного увеличения входной частоты.
Совместимость с чиповой технологией
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 перехода от гигагерц к терагерцам исключительно с помощью электрических входных сигналов, т.е.е., 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 – теперь возможно внедрение в конкретные сборки.
Возможности применения могут быть огромными: поскольку терагерцевые волны имеют более высокие частоты, чем гигагерцевые 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, исследования материалов.