Ett internationellt team, som leds av forskare vid University of Manchesters National Graphene Institute (NGI) i Storbritannien och Penn State College of Engineering i USA, har utvecklat en avstämbar grafenbaserad plattform som möjliggör fin kontroll över interaktionen mellan ljus och materia i terahertz-spektrumet (THz) för att avslöja sällsynta fenomen som kallas exceptionella punkter. Teamet publicerade sina resultat idag i Science .

Arbetet kan främja optoelektronisk teknologi för att bättre generera, kontrollera och känna av ljus och potentiellt kommunikation, enligt forskarna. De visade ett sätt att kontrollera THz-vågor, som finns vid frekvenser mellan mikrovågor och infraröda vågor. Bragden skulle kunna bidra till utvecklingen av "beyond-5G" trådlös teknik för höghastighetskommunikationsnätverk.

Svaga och starka interaktioner

Ljus och materia kan kopplas samman och interagera på olika nivåer:svagt, där de kan vara korrelerade men inte förändrar varandras beståndsdelar; eller starkt, där deras interaktioner i grunden kan förändra systemet. Möjligheten att kontrollera hur kopplingen skiftar från svag till stark och tillbaka igen har varit en stor utmaning för att utveckla optoelektroniska enheter – en utmaning som forskare nu har löst.

"Vi har demonstrerat en ny klass av optoelektroniska enheter som använder begreppen topologi - en gren av matematiken som studerar egenskaperna hos geometriska objekt", säger medkorsande författare Coskun Kocabas, professor i 2D-enhetsmaterial vid University of Manchester. "Med hjälp av exceptionella punktsingulariteter visar vi att topologiska koncept kan användas för att konstruera optoelektroniska enheter som möjliggör nya sätt att manipulera terahertzljus."

Kocabas är också knuten till Henry Royce Institute for Advanced Materials, med huvudkontor i Manchester.

Exceptionella punkter är spektrala singulariteter - punkter vid vilka två spektrala värden i ett öppet system sammansmälter. De är, föga överraskande, exceptionellt känsliga och reagerar på även de minsta förändringar i systemet, och avslöjar märkliga men ändå önskvärda egenskaper, enligt medkorrespondent författare Şahin K. Özdemir, docent i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State.

"Vid en exceptionell punkt är systemets energilandskap avsevärt modifierat, vilket resulterar i minskad dimensionalitet och skev topologi", säger Özdemir, som också är knuten till Materials Research Institute, Penn State. "Detta i sin tur förbättrar systemets svar på störningar, modifierar den lokala tätheten av tillstånd som leder till ökningen av spontana utsläppshastigheter och leder till en uppsjö av fenomen. Kontroll av exceptionella punkter, och de fysiska processer som sker vid dem, skulle kunna leda till tillämpningar för bättre sensorer, bildbehandling, lasrar och mycket mer."

Plattformens sammansättning

Plattformen som forskarna utvecklade består av en grafenbaserad avstämbar THz-resonator, med en gateelektrod av guldfolie som bildar en reflekterande bottenspegel. Ovanför det är ett grafenlager bokslutet med elektroder, som bildar en avstämbar toppspegel. Ett icke-flyktigt joniskt flytande elektrolytskikt sitter mellan speglarna, vilket möjliggör kontroll av den övre spegelns reflektionsförmåga genom att ändra den applicerade spänningen. I mitten av enheten, mellan speglarna, finns molekyler av alfa-laktos, ett socker som vanligtvis finns i mjölk.

Systemet styrs av två justerare. Man höjer den nedre spegeln för att ändra längden på kaviteten – justera resonansfrekvensen för att koppla ljuset med de kollektiva vibrationslägena för de organiska sockermolekylerna, som fungerar som ett fast antal oscillatorer för systemet. Den andra justeraren ändrar spänningen som appliceras på den översta grafenspegeln - ändrar grafenens reflekterande egenskaper för att övergå obalanserna i energiförlusten för att justera kopplingsstyrkan. Den känsliga finjusteringen förskjuter svagt kopplade terahertzljus och organiska molekyler för att bli starkt kopplade och vice versa.

"Exceptionella punkter sammanfaller med korsningspunkten mellan de svaga och starka kopplingsregimerna för terahertzljus med kollektiva molekylära vibrationer," sa Özdemir.

Han noterade att dessa singularitetspunkter vanligtvis studeras och observeras i kopplingen av analoga lägen eller system, såsom två optiska lägen, elektroniska lägen eller akustiska lägen.

"Detta arbete är ett av sällsynta fall där exceptionella punkter har visat sig dyka upp i kopplingen av två lägen med olika fysiskt ursprung," sa Kocabas. "På grund av topologin för de exceptionella punkterna observerade vi en betydande modulering i storleken och fasen av terahertzljuset, vilket kunde hitta tillämpningar i nästa generations THz-kommunikation."

Okänd fasmodulering i THz-spektrumet

När forskarna applicerar spänning och justerar resonansen driver de systemet till en exceptionell punkt och längre fram. Innan, vid och bortom den exceptionella punkten, förändras de geometriska egenskaperna – topologin – hos systemet.

En sådan förändring är fasmoduleringen, som beskriver hur en våg förändras när den fortplantar sig och interagerar i THz-fältet. Att kontrollera THz-vågornas fas och amplitud är en teknisk utmaning, sa forskarna, men deras plattform visar oöverträffade nivåer av fasmodulering. Forskarna flyttade systemet genom exceptionella punkter, såväl som längs slingor runt exceptionella punkter i olika riktningar, och mätte hur det reagerade genom förändringarna. Beroende på systemets topologi vid mätpunkten kan fasmodulering variera från noll till fyra magnituder större.

"Vi kan elektriskt styra enheten genom en exceptionell punkt, vilket möjliggör elektrisk kontroll på reflektionstopologi", säger första författaren M. Said Ergoktas. "Endast genom att kontrollera systemets topologi elektroniskt kunde vi uppnå dessa enorma moduleringar."

Enligt forskarna har den topologiska kontrollen av ljus-materia-interaktioner runt en exceptionell punkt som möjliggörs av den grafenbaserade plattformen potentiella tillämpningar som sträcker sig från topologiska optoelektroniska och kvantenheter till topologisk kontroll av fysiska och kemiska processer. + Utforska vidare

Forskare utvecklar en "exceptionell" yta för att utforska exotisk fysik