Ett team av forskare från Ryssland, Storbritannien, Japan och Italien har skapat en grafenbaserad terahertzdetektor. Studien publicerades i Naturkommunikation .

Alla system för trådlös dataöverföring är beroende av elektromagnetiska vågkällor och detektorer, men de är inte tillgängliga för alla typer av vågor. De befintliga källorna till terahertzstrålning, som upptar ett mellanting mellan mikrovågor och infrarött ljus, förbrukar för mycket ström eller kräver intensiv kylning. Ändå kan T-vågor potentiellt möjliggöra snabbare Wi-Fi, nya metoder för medicinsk diagnostik, och studier av rymdobjekt med hjälp av radioteleskop.

Anledningen till ineffektiviteten hos befintliga terahertz-detektorer är obalansen mellan storleken på detektionselementet, transistorn – ungefär en miljondels meter – och den typiska våglängden för terahertzstrålning, vilket är cirka 100 gånger större. Detta resulterar i att vågen glider förbi detektorn utan någon interaktion.

1996, det föreslogs att för att ta itu med denna fråga, energin från en infallande våg skulle kunna komprimeras till en volym som är jämförbar med storleken på detektorn. För det här syftet, detektormaterialet ska stödja "kompakta vågor" av ett speciellt slag, kallas plasmoner. De representerar den kollektiva rörelsen av ledningselektroner och det tillhörande elektromagnetiska fältet, inte olikt havsvågorna som rör sig tillsammans med vinden när en storm sätter in. I teorin, effektiviteten hos en sådan detektor ökas ytterligare under vågresonans.

Att implementera en sådan detektor visade sig svårare än väntat. I de flesta halvledarmaterial, plasmoner genomgår snabb dämpning – det vill säga, de dör ner — på grund av elektronkollisioner med föroreningar. Grafen sågs som en lovande utväg, men tills nyligen, det var inte tillräckligt rent.

Författarna till forskningen presenterade en lösning för det långvariga problemet med resonant T-vågsdetektion. De skapade en fotodetektor (figur 1) gjord av tvåskiktsgrafen inkapslad mellan kristaller av bornitrid och kopplad till en terahertzantenn. I denna smörgåsstruktur, föroreningar drivs ut till utsidan av grafenflingan, gör det möjligt för plasmoner att föröka sig fritt. Grafenarket som är begränsat av metallledningar bildar en plasmonresonator, och dubbelskiktsstrukturen hos grafen möjliggör inställning av våghastighet inom ett brett område.

Faktiskt, teamet har utvecklat en kompakt terahertz-spektrometer, flera mikrometer i storlek, med resonansfrekvensen styrd via spänningsinställning. Fysikerna har också visat potentialen hos deras detektor för grundforskning:Genom att mäta strömmen i detektorn vid olika frekvenser och elektrondensiteter, plasmonegenskaper kan avslöjas.

"Vår enhet fungerar som en känslig detektor och en spektrometer som fungerar i terahertzområdet, och det är också ett verktyg för att studera plasmoner i tvådimensionella material. Alla dessa saker fanns förut, men de tog upp ett helt optiskt bord. Vi packade samma funktionalitet i ett dussin mikrometer, " sa medförfattaren Dmitrij Svintsov, som leder Laboratory of 2-D Materials for Optoelectronics vid Moscow Institute of Physics.