Människor använder elektromagnetisk energi varje dag … tittar på tv, lyssnar på radio, poppar majs med mikrovågsugn, ta en röntgenbild eller använda en mobiltelefon. Denna energi färdas i form av vågor, som används ofta i elektroniska och trådlösa enheter.
Ett av de hetaste områdena i det elektromagnetiska spektrumet som utforskas idag är terahertzområdet (THz). Terahertz vågor, ligger mellan mikrovågs- och optiska frekvenser, erbjuder förbättrad prestanda för en mängd olika applikationer i vardagen. Till exempel, THz-vågor kan bära mer information än radio/mikrovågor för kommunikationsenheter. De ger också medicinska och biologiska bilder med högre upplösning än mikrovågor, samtidigt som det erbjuder mycket mindre potentiell skada av exponering än röntgenstrålar.
Forskare vid University of Notre Dame har visat att det är möjligt att effektivt manipulera THz elektromagnetiska vågor med atomärt tunna grafenlager. Denna prestation, som nyligen publicerades i Nature Communications, sätter scenen för utveckling av kompakta, effektiva och kostnadseffektiva enheter och system som arbetar i THz-bandet.
"En stor flaskhals i löftet om THz-teknik har varit bristen på effektiva material och enheter som manipulerar dessa energivågor, ” säger Berardi Sensale-Rodriguez, en doktorand vid institutionen för elektroteknik vid Notre Dame. "Att ha ett naturligt tvådimensionellt material med starkt och inställbart svar på THz-vågor - till exempel, grafen — ger oss möjligheten att designa THz-enheter som uppnår oöverträffad prestanda."
Terahertz-teamet — doktorander Sensale-Rodriguez, Rusen Yan, Kristof Tahy och Tian Fang; forskningsassistentprofessorerna Michelle M. Kelly, genom Center for Nano Science and Technology (NDnano), och Lei Liu, i samband med Advanced Diagnostics and Therapeutics vid Notre Dame (AD&T); gästforskare professor Wan Sik Hwang, med Midwest Institute for Nanoelectronics Discovery (MIND); docent Debdeep Jena och John Cardinal O'Hara, C.S.C., Docent Huili (Grace) Xing - har demonstrerat den första proof of concept-prototypen av en grafenbaserad THz-modulator, en enhet som enbart aktiveras av intrabandövergångar i grafen.
grafen, ett atomtjockt halvledarmaterial, har visat lovande elektriska, mekaniska och termiska egenskaper som leder till den senaste demonstrationen av snabba transistorer, flexibel/transparent elektronik, optiska enheter och nu terahertz aktiva komponenter.
"Graphene har pekats ut som en idealisk plattform för att upptäcka nya, samt bevisa/bestrida existerande, fysiska fenomen sedan 2004, " sa Xing. "Det är vad två fysiker i Storbritannien, Andre Geim och Konstantin Novoselov, tilldelades Nobelpriset för 2010. mycket få verkliga tillämpningar av grafen har dykt upp hittills. Att använda grafen för att manipulera THz-vågor är en av sådana applikationer. Detta Nature Communication-dokument dokumenterade vårt första experimentella försök att realisera förutsägelserna i vår artikel som publicerades i Applied Physics Letters förra året. Enheter med bättre prestanda fortsätter att rulla ut från våra laboratorier.
"Även om professor Jena och jag bildade visionen att använda tvådimensionell elektrongas för att manipulera THz-vågor redan 2006, det var inte förrän Michelle, Lei och Berardi anslöt sig till oss att detta arbete var möjligt, ” lade Xing till.
