Onderzoekers ontwikkelen elektrisch afstembare grafeenapparaten om zeldzame natuurkunde te bestuderen

Een internationaal team, mede geleid door onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) van de Universiteit van Manchester in het VK en het Penn State College of Engineering in de VS, heeft een afstembaar op grafeen gebaseerd platform ontwikkeld dat nauwkeurige controle over de interactie mogelijk maakt. tussen licht en materie in het terahertz (THz) spectrum om zeldzame verschijnselen te onthullen die bekend staan ​​als uitzonderlijke punten. Het team publiceerde hun resultaten vandaag in Wetenschap.

Het werk zou volgens de onderzoekers opto-elektronische technologieën kunnen bevorderen om licht en mogelijk communicatie beter te genereren, te controleren en te voelen. Ze demonstreerden een manier om THz-golven te beheersen, die bestaan ​​op frequenties tussen die van microgolven en infrarode golven. De prestatie zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van ‘beyond-5G’ draadloze technologie voor snelle communicatienetwerken.

Zwakke en sterke interacties

Licht en materie kunnen koppelen en op verschillende niveaus op elkaar inwerken: zwak, waar ze misschien gecorreleerd zijn, maar elkaars bestanddelen niet veranderen; of sterk, waar hun interacties het systeem fundamenteel kunnen veranderen. Het vermogen om te bepalen hoe de koppeling van zwak naar sterk en weer terug verschuift, was een grote uitdaging voor de opto-elektronische apparaten – een uitdaging die onderzoekers nu hebben opgelost.

“We hebben een nieuwe klasse van opto-elektronische apparaten gedemonstreerd met behulp van concepten van topologie – een tak van de wiskunde die eigenschappen van geometrische objecten bestudeert”, zegt co-corresponderende auteur Coskun Kocabas, hoogleraar 2D-apparaatmaterialen aan de Universiteit van Manchester. “Met behulp van uitzonderlijke puntsingulariteiten laten we zien dat topologische concepten kunnen worden gebruikt om opto-elektronische apparaten te ontwerpen die nieuwe manieren mogelijk maken om terahertz-licht te manipuleren.”

Kocabas is ook verbonden aan het Henry Royce Institute for Advanced Materials, met het hoofdkantoor in Manchester.

Uitzonderlijke punten zijn spectrale singulariteiten – punten waarop twee spectrale waarden in een open systeem samenvloeien. Ze zijn, niet verwonderlijk, uitzonderlijk gevoelig en reageren op zelfs de kleinste veranderingen in het systeem, waarbij ze merkwaardige maar wenselijke kenmerken onthullen, volgens de mede-corresponderende auteur Şahin K. Özdemir, universitair hoofddocent technische wetenschappen en mechanica aan Penn State.

“Op een uitzonderlijk moment wordt het energielandschap van het systeem aanzienlijk gewijzigd, wat resulteert in verminderde dimensionaliteit en scheve topologie”, zegt Özdemir, die ook is verbonden aan het Materials Research Institute, Penn State. “Dit verbetert op zijn beurt de reactie van het systeem op verstoringen, wijzigt de lokale dichtheid van toestanden, wat leidt tot de verhoging van spontane emissiesnelheden en leidt tot een overvloed aan verschijnselen. Controle van uitzonderlijke punten en de fysieke processen die zich daarbij voordoen, zou kunnen leiden tot toepassingen voor betere sensoren, beeldvorming, lasers en nog veel meer.”

Platform samenstelling

Het platform dat de onderzoekers ontwikkelden, bestaat uit een op grafeen gebaseerde afstembare THz-resonator, met een goudfolie-poortelektrode die een reflecterende bodemspiegel vormt. Daarboven is een grafeenlaag met elektroden aan het einde van het boek geplaatst, waardoor een afstembare bovenspiegel wordt gevormd. Een niet-vluchtige ionische vloeibare elektrolytlaag zit tussen de spiegels, waardoor de reflectiviteit van de bovenste spiegel kan worden geregeld door de aangelegde spanning te veranderen. In het midden van het apparaat, tussen de spiegels, bevinden zich moleculen van alfa-lactose, een suiker die veel voorkomt in melk.

Het systeem wordt aangestuurd door twee regelaars. Men tilt de onderste spiegel op om de lengte van de holte te veranderen – door de resonantiefrequentie af te stemmen om het licht te koppelen aan de collectieve trillingsmodi van de organische suikermoleculen, die dienen als een vast aantal oscillatoren voor het systeem. De andere regelaar verandert de spanning die op de bovenste grafeenspiegel wordt toegepast – waardoor de reflecterende eigenschappen van het grafeen worden gewijzigd om de onevenwichtigheden in het energieverlies over te hevelen om de koppelingssterkte aan te passen. De delicate, fijne afstemming verschuift zwak gekoppeld terahertz-licht en organische moleculen om sterk gekoppeld te worden en vice versa.

“Uitzonderlijke punten vallen samen met het kruispunt tussen de zwakke en sterke koppelingsregimes van terahertz-licht met collectieve moleculaire trillingen”, zei Özdemir.

Hij merkte op dat deze singulariteitspunten typisch worden bestudeerd en waargenomen in de koppeling van analoge modi of systemen, zoals twee optische modi, elektronische modi of akoestische modi.

“Dit werk is een van de zeldzame gevallen waarin is aangetoond dat uitzonderlijke punten naar voren komen in de koppeling van twee modi met verschillende fysieke oorsprong”, zei Kocabas. “Vanwege de topologie van de uitzonderlijke punten hebben we een significante modulatie waargenomen in de grootte en fase van het terahertz-licht, dat toepassingen zou kunnen vinden in de THz-communicatie van de volgende generatie.”

Ongekende fasemodulatie in het THz-spectrum

Terwijl de onderzoekers spanning toepassen en de resonantie aanpassen, drijven ze het systeem naar een uitzonderlijk punt en verder. Voor, op en voorbij het uitzonderlijke punt veranderen de geometrische eigenschappen – de topologie – van het systeem.

Een dergelijke verandering is de fasemodulatie, die beschrijft hoe een golf verandert terwijl deze zich voortplant en interageert in het THz-veld. Het beheersen van de fase en amplitude van THz-golven is een technologische uitdaging, aldus de onderzoekers, maar hun platform vertoont ongekende niveaus van fasemodulatie. De onderzoekers bewogen het systeem door uitzonderlijke punten, maar ook langs lussen rond uitzonderlijke punten in verschillende richtingen, en maten hoe het reageerde op de veranderingen. Afhankelijk van de topologie van het systeem op het meetpunt, kan fasemodulatie variëren van nul tot vier magnitudes groter.

“We kunnen het apparaat elektrisch door een uitzonderlijk punt sturen, wat elektrische controle over reflectietopologie mogelijk maakt”, zegt eerste auteur M. Said Ergoktas. “Alleen door de topologie van het systeem elektronisch te regelen, konden we deze enorme modulaties bereiken.”

Volgens de onderzoekers heeft de topologische controle van licht-materie-interacties rond een uitzonderlijk punt, mogelijk gemaakt door het op grafeen gebaseerde platform, potentiële toepassingen, variërend van topologische opto-elektronische en kwantumapparaten tot topologische controle van fysieke en chemische processen.