Физика

Шторм в электронном море стал принципом работы нового терагерцового детектора

Пресс-служба МФТИ

Физики создали детектор терагерцового излучения на основе графена, использующий возбуждение плазмонов — своеобразных «волн» электронного «моря». Ученые смогли создать целый управляемый «шторм» из волн электронов. Теперь огромные приборные комплексы, занимавшие целые комнаты, можно заменить одним микрочипом. Статья с описанием работы опубликована в Nature Communications.

Любая система беспроводной передачи информации предполагает наличие источников и детекторов электромагнитных волн. Однако они есть не для любых волн. Например, для волн с частотами около одного терагерца (длина волны — 0,3 мм) источники либо потребляют огромную электрическую мощность (вакуумные лампы), либо требуют низких температур (квантовые каскадные лазеры). Существующие детекторы в терагерцовом диапазоне обладают высоким уровнем шумов.

Причина неэффективности существующих терагерцовых детекторов состоит в значительной разнице в длине волны излучения (доли миллиметра) и размере типичного детектирующего элемента — транзистора (единицы микрон и даже меньше). Можно считать, что волна «проскакивает» мимо обычного детектора, не замечая его. Выход из этой ситуации был указан в конце ХХ века, когда советские ученые Михаил Дьяконов и Михаил Шур предложили «спрессовать» электромагнитную энергию падающей волны в объем, сравнимый с объемом детектора. Это возможно, если материал детектора поддерживает особый тип «компактных» волн, называемых поверхностными плазмонами. Такие волны представляют собой согласованное движение электронов проводимости и электромагнитного поля, подобно согласованному движению ветра и поверхности морской воды при зарождении шторма. Эффективность предложенного плазмонного детектора в теории должна вырастать в разы, если на его длине укладывается определенное число длин волн плазмона. Это является проявлением общефизического принципа волнового резонанса, широко известного в практике музыкальных инструментов.

Экспериментальная реализация резонансного плазмонного детектора терагерцового излучения оказалась гораздо сложнее, чем в теории. В большинстве полупроводников плазмоны гаснут почти сразу после зарождения. Причина тому — сильные столкновения электронов с примесями и колеблющимися атомами. Проще говоря, многие материалы представляли для электронных волн не гладкую поверхность моря, а заросший пруд. Значительные надежды в этой сфере связывали с новым материалом — графеном, монослоем из атомов углерода. Однако и он не обладал до недавних пор достаточной степенью чистоты, и все попытки создания резонансного детектора, в том числе попытки группы авторов, были безуспешны.

В новой работе физики решили проблему резонансного детектирования терагерцовых волн. Созданный учеными фотодетектор представляет собой слой графена, подключенный парой контактов к терагерцовой антенне, с другой пары контактов считывается сигнальное напряжение. Слой графена играет роль резонатора для плазмонов. Ключевыми идеями, позволившими достичь резонанса, оказались «упаковка» графена между двумя кристаллами нитрида бора, использование двухслойного графена вместо однослойного, а также выверенные геометрические пропорции детектирующего элемента. В сэндвиче «нитрид бора — двухслойный графен — нитрид бора» примеси выталкиваются на края образца, давая путь для беспрепятственного распространения плазмонов. Двухслойность же графена открывает огромную свободу в электрической настройке скорости волн. С помощью напряжения на управляющем электроде (так называемом затворе) авторам удалось вводить и выводить детектор из состояния резонанса, переключаясь между более чем десятью разными гармониками.

Принципиальная электрическая схема транзисторного детектора терагерцового излучения (слева) и изображение реального прибора в оптическом микроскопе (справа). Справа вверху изображена антенна-бабочка, в центре которой размещен детектирующий элемент — графеновый транзистор. Слева: канал транзистора из двухслойного графена (bilayer graphene, BLG) зажат между кристаллами гексагонального нитрида бора (hBN), весь «сэндвич» находится на подложке окисленного кремния (SiO₂/Si). Два лепестка терагерцовой антенны подключаются между истоком и затвором (левый и верхний электроды), сигнальное напряжение ΔU считывается между истоком и стоком (два крайних электрода)

Пресс-служба МФТИ

«Наш детектор является, по сути, компактным спектрометром терагерцового излучения, то есть по его сигналу можно узнать не только интенсивность света, но и его частоту, — комментирует один из авторов работы, сотрудник МФТИ Георгий Федоров. — В лабораторных спектрометрах это достигается путем перемещения зеркал. Здесь же прибор имеет размер в несколько микрон, а спектроскопия может осуществляться путем изменения электрического напряжения».

Хотя создание компактного детектора-спектрометра терагерцового излучения уже представляет собой важное практическое достижение, авторы вдобавок показали ценность данного устройства и для фундаментальной науки. Измеряя ток детектора при изменении концентрации электронов и частоты, можно изучать свойства самих поверхностных плазмонов, например длину волны и время затухания. Раньше для этих же целей в лабораториях обычно использовался сканирующий ближнепольный микроскоп — прибор со сложной системой линз и зеркал, занимающий целый оптический стол.

«Наши устройства, помимо своего практического использования, предлагают еще и удобный метод для исследования плазмоники в двумерных материалах. Используя это метод, мы обнаружили новый необычный тип волн в электронном море графена, что послужит основой нашей дальнейшей деятельности», — поясняет другой автор, сотрудник Манчестерского университета Денис Бандурин.

Работа российской части коллектива была поддержана Российским научным фондом.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.