Текст уведомления здесь

Новый детектор на «электронном шторме» ускорит связь

Сочетание двуслойного графена и нитрида бора позволило создать уникальный по своим свойствам детектор терагерцового излучения

Ученые из МФТИ, МПГУ и Манчестерского университета создали новый детектор терагерцового излучения на базе двумерных материалов – нитрида бора и графена.
Добавить в закладки
Комментарии

Для работы он использует возбуждение волн — коллективных колебаний электронов электронного «моря» (плазмонов). Соответствующая статья опубликована в Nature Communications.

Терагерцовые волны по длине лежат между инфракрасным излучением и микроволнами. Это долго делало их практическое использование затруднительным: вакуумные лампы генерируют терагерцовые волны лишь при огромной мощности (что недешево), а квантовые каскадные лазеры при этом, хотя и потребляют немного энергии, требуют охлаждения до криогенных температур. Не очень приспособлены для таких волн и детекторы-приемники. Типичный приемник-транзистор не больше микрометра, а типичная терагерцовая волна длиной в несколько сот микрометров. Регистрировать транзисторами такие волны — все равно, что муравью ловить кусок крупноячеистой сети. Поэтому, несмотря на отличные перспективы в повышении скорости беспроводного интернета и улучшение качества неинвазивной меддиагностики (такое излучение буквально позволяет «видеть» внутри человеческого тела), до сих пор терагерцовые приборы в наш быт не вошли.

Схема транзисторного детектора терагерцового излучения (слева) и изображение реального прибора в оптическом микроскопе (справа)Рисунок предоставлен пресс-службой МФТИ

Еще в конце ХХ века Михаил Дьяконов и Михаил Шур предложили «спрессовать» падающую терагерцовую волну в небольшой объем (порядка того же объема детектора). Это возможно, если материал детектора поддерживает свободное распространение поверхностных плазмонов. Так называют согласованные коллективные колебания электронов и электромагнитного поля, подобные тем, что мы воспринимаем как «металлический блеск» — например, на церковных куполах. Отдаленная аналогия плазмонов — согласованное движение ветра и поверхности моря в шторм. При преобразовании энергии электромагнитной терагерцовой волны в колебания электронов объем, занимаемый носителями сигналов, резко сократится: электроны много компактнее длинных электромагнитных волн.

Однако реализовать такую фотон-плазмоннную схему приема терагерцовых волн на практике оказалось исключительно непросто. В большинстве полупроводников плазмоны гаснут почти сразу после зарождения. Электроны сталкивались с колеблющимися атомами кристаллической решетки и теряли энергию раньше, чем транзистор успевал преобразовать эти затухающие колебания в сигнал. Используя аналогию, можно сказать, что волны и ветер не могут сильно всколыхнуть поверхность сильно заросшего пруда или болота.

В новой работе исследователи попробовали наконец решить эту крайне сложную проблему. Для этого они сделали детектор фотонов в виде слоя графена, подключенного парой контактов к терагерцовой антенне. С другой стороны графеновой пластинки парой контактов считывается сигнальное напряжение. Слой графена здесь играет роль резонатора для плазмонов: волны в нем свободно колеблются, поскольку электроны в графене, с одной стороны, имеют уникальную подвижность, а с другой — не натыкаются на неоднородности кристаллической решетки (в графене их минимум).

Кроме того, графен в новом детекторе двуслойный, а не однослойный (упрощает управление приема им сигнала) и «упакован» между двумя кристаллами нитрида бора. В бутерброде «нитрид бора — двухслойный графен — нитрид бора» примеси других атомов выталкиваются на края детектора, что и делает столь легким распространение плазмонов — они ни на что не «натыкаются».

Что важно, с помощью такого детектора можно узнать не только интенсивность входящего терагерцового излучения, но и его частоту. В лабораторных спектрометрах это достигается путем перемещения зеркал. Здесь же прибор имеет размер в несколько микрон, а спектроскопия может осуществляться путем изменения электрического напряжения, подводимого к прибору.

Новый, особо чувствительный детектор-спектрометр позволит заметно ускорить обработку информации в терагерцовых системах связи, на базе которых может быть развернуто интернет-соединение следующего поколения.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы