De weg effenen voor afstembare grafeen plasmonische THz-versterkers

Professor Taiichi Otsuji van de Universiteit van Tohoku heeft een team van internationale onderzoekers geleid bij het succesvol demonstreren van een coherente versterking bij kamertemperatuur van terahertz (THz) straling in grafeen, elektrisch aangedreven door een droge-celbatterij.

Ongeveer 40 jaar geleden opende de komst van plasmagolfelektronica een schat aan nieuwe kansen. Wetenschappers waren gefascineerd door de mogelijkheid dat plasmagolven zich sneller konden voortplanten dan elektronen, wat suggereert dat zogenaamde “plasmonic” apparaten zouden kunnen werken op THz-frequenties. Experimentele pogingen om dergelijke versterkers of emitters te realiseren bleven echter ongrijpbaar.

“Onze studie onderzocht THz licht-plasmon-koppeling, lichtabsorptie en versterking met behulp van een op grafeen gebaseerd systeem vanwege de uitstekende elektrische en optische eigenschappen bij kamertemperatuur,” zei professor Otsuji, die is gevestigd in het Ultra-Broadband Signal Processing Laboratory van het Research Institute of Electrical Communication (RIEC) van Tohoku University.

Het onderzoeksteam, dat bestond uit leden van Japanse, Franse, Poolse en Russische instellingen, ontwierp een reeks monolaag-grafeen kanaaltransistorstructuren. Deze hadden een originele dubbele verzamelpoort die werkte als een zeer efficiënte antenne om de THz-straling en grafeenplasmonen te koppelen.

Met behulp van deze apparaten konden de onderzoekers afstembare resonante plasmonabsorptie demonstreren die, met een toename van de stroom, resulteert in THz-stralingsversterking. De versterkingswinst van maximaal 9% werd waargenomen in de monolaag grafeen – ver boven het bekende mijlpaalniveau van 2,3% dat het maximum is dat beschikbaar is wanneer fotonen direct interageren met elektronen zonder excitatie van grafeenplasmonen.

Om de resultaten te interpreteren, gebruikte het onderzoeksteam een ​​dissipatief plasmonisch kristalmodel, dat de belangrijkste trends en basisfysica van de amplificatiefenomenen vastlegde. In het bijzonder voorspelt het model de toename van de kanaalgelijkstroom die het systeem naar een versterkingsregime drijft. Dit geeft aan dat de plasmagolven de gelijkstroom op coherente wijze kunnen overbrengen naar de binnenkomende THz-elektromagnetische golven.

“Omdat alle resultaten bij kamertemperatuur zijn verkregen, effenen onze experimentele resultaten de weg naar verdere THz-plasmonische technologie met een nieuwe generatie volledig elektronische, resonerende en spanningsgestuurde THz-versterkers,” voegde professor Otsuji toe.