Физики из Росcии и Японии разработали плазмонный генератор на основе графена

Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. Фото: пресс-служба МФТИ

Исследователи из МФТИ, Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова и университета Тохоку (Япония) создали схему генератора плазмонов — ключевого элемента оптоэлектронных схем будущего. Ученые предложили использовать для этой цели графен.

Плазмон — это псевдочастица, представляющая собой облако колеблющихся электронов и привязанного к ним электромагнитного поля на поверхности металлов. С помощью плазмонов можно генерировать, передавать и принимать сигналы; плазмоны могут выступать посредниками между электронами и световыми волнами в фотодетекторах. Благодаря тому что плазмоны распространяются только в очень тонком, меньше длины волны света, слое у поверхности, их можно «запереть» в очень маленьком пространстве, а приборы для передачи информации на их основе гораздо миниатюрнее тех, в которых используют фотоны.

Для того чтобы передавать сигнал с помощью плазмонов, нужна поверхность, по которой они будут распространяться. Ученые из МФТИ предложили использовать в этой роли графен — слой углерода толщиной в один атом. Исследователи из МФТИ предложили сделать «сэндвич» из двух слоев графена и прослойки из дисульфида вольфрама между ними и получить таким образом устройство, похожее по своему принципу на лазер, но, в отличие от лазера, создающее поток не фотонов, а плазмонов. Этот плазмонный лазер они назвали спазером (от англ. SPASER — surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation).

Как говорит ведущий автор исследования Дмитрий Свинцов, дисульфид вольфрама работает как активная среда, то есть источник плазмонов, а слои графена — источник электронов. В двухслойной графеновой структуре плазмон берет энергию от электрона, «прыгающего» со слоя с высокой потенциальной энергией на слой с низкой. Образование плазмона в результате такого прыжка похоже на образование волн при погружении ныряльщика в воду.

Приложение электрического напряжения V приводит к наполнению одного слоя электронами, а в другом при этом образуются свободные места — дырки. Электрон переходит из занятого состояния в свободное через слой дисульфида вольфрама (штриховая линия), при этом излишек его энергии идет на рождение плазмона (красная волнистая линия). Изображение: пресс-служба МФТИ


По словам Свинцова, помимо плазмонов генератор может излучать и фотоны: плазмоны могут «отвязываться» от слоев графена и становиться фотонами в свободном пространстве. Это дает возможность создавать перестраиваемые источники излучения терагерцового и дальнего инфракрасного диапазона.

Работа физиков опубликована в журнале Physical Review B.

Ранее «Чердак» писал о том, как в МФТИ разработали конструкцию плазмонного устройства с применением графена. Там активная среда спазера была покрыта одним слоем графена, а источником энергии для получения плазмонов был свет. Спазер с одним слоем графена можно использовать как очень чувствительный сенсор — он обнаруживает даже отдельные молекулы.
Теги:

Читать еще на Чердаке: