Fysiker vid MIPT och deras brittiska och ryska kollegor avslöjade mekanismerna som leder till fotoströmning i grafen under terahertzstrålning. Tidningen publicerad i Bokstäver i tillämpad fysik avslutar en långvarig debatt om ursprunget till likström i grafen upplyst av högfrekvent strålning, och sätter också scenen för utvecklingen av högkänsliga terahertz-detektorer. Sådana detektorer har tillämpningar inom medicinsk diagnostik, trådlösa kommunikations- och säkerhetssystem.

Under 2005, MIPT-alumner Andre Geim och Konstantin Novoselov studerade experimentellt beteendet hos elektroner i grafen, ett plant bikakegitter av kolatomer. De fann att elektroner i grafen reagerar på elektromagnetisk strålning med en kvantenergi, De vanliga halvledarna har en energitröskel under vilken materialet inte reagerar på ljus alls. Dock, elektronrörelseriktningen i grafen utsatt för strålning har länge varit en kontrovers, eftersom det finns många faktorer som drar det åt olika håll. Kontroversen var särskilt stark när det gäller fotoströmmen orsakad av terahertz -strålning.

Terahertz -strålning har en unik uppsättning egenskaper. Till exempel, den passerar lätt genom många dielektrikum utan att jonisera dem - detta är av särskilt värde för medicinska diagnostik- eller säkerhetssystem. En terahertz -kamera kan upptäcka vapen dolda under en persons kläder, och en medicinsk skanner kan avslöja hudsjukdomar i tidiga skeden genom att detektera spektrallinjerna ("fingeravtryck") hos karakteristiska biomolekyler i terahertz -området. Till sist, att höja bärfrekvensen för Wi-Fi-enheter från flera till hundratals gigahertz (inom området under terahertz) kommer att öka bandbredden proportionellt. Men alla dessa applikationer behöver en känslig, låg ljudnivå terahertz detektor som enkelt tillverkas.

En terahertz -detektor designad av forskare vid MIPT, MSPU och University of Manchester är ett grafenark (färgat grönt i figur ett och två) inklämt mellan dielektriska lager av bornitrid och elektriskt kopplat till en terahertz -antenn - en metallspiral som är ungefär en millimeter stor. Eftersom strålning träffar antennen, det vaggar elektroner på ena sidan av grafenarket, medan den resulterande likströmmen mäts på andra sidan. Det är "packningen" av grafen i bornitrid som möjliggör rekordhöga elektriska egenskaper, ger detektorn en känslighet som är ett snitt över de tidigare designerna. Dock, huvudresultatet av forskningen är inte ett instrument som ger bättre resultat. det är insikten om de fysiska fenomen som är ansvariga för fotoströmmen.

Det finns tre huvudeffekter som leder till elektrisk ström i grafen som utsätts för terahertz -strålning. Den första, den fototermoelektriska effekten, beror på temperaturskillnaden mellan antennterminalen och avkänningsterminalen. Detta skickar elektroner från den varma terminalen till den kalla, som luft som stiger upp från en varm radiator upp till kallt i taket. Den andra effekten är utjämning av strömmen vid terminalerna. Det visar sig att kanterna på grafen släpper igenom endast högfrekvenssignalen med en viss polaritet. Den tredje och mest intressanta effekten kallas plasmavågsriktning. Vi kan tänka oss att antennterminalen uppväcker "vågor i det elektroniska havet" på grafenremsan, medan avkänningsterminalen registrerar medelströmmen associerad med dessa vågor.

"Tidigare försök att förklara fotoströmmen i sådana detektorer använde endast en av dessa mekanismer och utesluter alla andra, " säger Dmitry Svintsov från MIPT. "I verkligheten, alla tre är på spel, och vår studie fann vilken effekt som dominerar vid vilka förhållanden. Termoelektriska effekter dominerar vid låga temperaturer, medan plasmonisk rättelse råder vid höga temperaturer och i instrument med längre kanal. Och det viktigaste är att vi räknade ut hur man gör en detektor där de olika fotoresvarsmekanismerna inte kommer att avbryta varandra, utan snarare förstärka varandra. "

Dessa experiment kommer att bidra till den bästa designen för terahertz-detektorer och utvecklingen av fjärrdetekteringsanordningar för farliga ämnen, säker medicinsk diagnostik, och trådlös kommunikation med hög hastighet.