Grafeencondensatoren bereiken een snelle, hoge diepte-modulatie van Terahertz-golven

Onderzoekers van het Cavendish Laboratory, Universiteit van Cambridge, hebben een nieuwe manier aangetoond om straling in het terahertz-bereik te regelen-een vaak over het hoofd gezien deel van het elektromagnetische spectrum-met een ongekende dynamisch bereik en snelheid. De bevindingen kunnen de deur openen voor geavanceerde technologieën in communicatie, beeldvorming en detectie en grote vooruitgang markeren in de ontwikkeling van praktische apparaten die in het terahertz -bereik werken.

De studie is gepubliceerd in het dagboek Licht: wetenschap en toepassingen.

Het terahertz -bereik ligt tussen microgolven en infraroodlicht op het elektromagnetische spectrum. Ondanks het potentieel van Terahertz-golven op veel gebieden, bijvoorbeeld in walk-through beveiligingsscanners op luchthavens en voor huidkanker detectie, zijn Terahertz-golven moeilijk efficiënt te manipuleren. Dat komt omdat Terahertz -golflengten tienduizenden keren kleiner zijn in vergelijking met radiogolflengten, en traditionele methoden werken niet goed op deze schaal.

Maar in staat zijn om Terahertz -golven te manipuleren is erg belangrijk, met name voor communicatie, waarbij een gegevenssignaal moet worden gecodeerd in een golf om informatie te verzenden.

“Bedenk hoe je luistert naar een oude analoge radio, die op veel grotere golflengten werkt: je draait de wijzerplaat om af te stemmen in je gewenste station. In de radio pas je een condensator aan zodat de radio de frequentie van het station pakt van het station dat je wilt,” legde Dr. Wladislaw Michailow, die het onderzoek leidde in het Cavendish Laboratory en een junior onderzoeksfellow bij TROFITY COLLEGE. “Dit afstemmingsconcept is erg handig op veel apparaten, maar omdat Terahertz -golflengten zo klein zijn, moesten we een nieuw concept bedenken om afstemming in het terahertz -bereik te realiseren.”

Condensatoren zijn componenten die elektrische energie opslaan en vrijgeven. Door te tweaken hoeveel lading elke condensator kan vasthouden – een eigenschap die capaciteit wordt genoemd – kan de frequentie van apparaten, zoals detectoren of modulatoren, worden afgestemd. Naarmate de golflengte kleiner wordt, moeten de afmetingen van de condensatoren commensureel worden verkleind, maar ze klein genoeg maken om het terahertz -bereik te bereiken, zou op deze traditionele manier onmogelijk zijn.

In de regio Terahertz hebben onderzoekers gemealiseerde modulatoren die metamaterialen gebruiken. Metamaterialen gebruiken hetzelfde principe dat bijvoorbeeld bijdraagt aan de levendige kleuren van vlinders in de natuur, maar de onderliggende fysica werkt net zo goed in het terahertz -bereik.

Metamaterialen zijn arrays van kleine resonatoren, kleiner dan de golflengte van de straling, die zijn ontworpen om te resoneren met een bepaalde frequentie. Door een geleidend materiaal in te bedden, zoals het tweedimensionale materiaalgrafeen, kan de optische reactie van dergelijke materialen worden afgestemd-dat is hoe modulatoren kunnen worden gerealiseerd.

Gewoonlijk wordt grafeen gebruikt als een variabele weerstand in dergelijke apparaten; Hiaten op nanoschaal binnen de resonatoren zijn kortgesloten met grafeen. Dit dempt de resonantie en verandert als gevolg daarvan de sterkte van de verzonden straling.

“Maar deze benadering is niet erg efficiënt, omdat het gewoon de resonantie stortte. Dat is hetzelfde als een sok op een fluit zetten, in plaats van de fluit te spelen,” zei Wladislaw. “In plaats van de resonantie te onderdrukken, hebben we ultradunne, instelbare condensatoren van grafeen gemaakt. Hierdoor kunnen we in plaats daarvan de resonantie verschuiven zoals we willen-zoals het spelen van een melodie op een fluit.”

In hun onderzoek creëerden de wetenschappers ultra-kleine patches gemaakt van grafeen en plaatsten ze in elke kleine structuur of resonator van de array in het metamateriaal. Deze grafeenpatches zijn ongelooflijk klein, minder dan een micron breed (dat is een duizendste van een millimeter) en dienen als instelbare condensatoren die op nanoschaal werken.

De onderzoekers hebben ook de apparaten ontworpen om signalen van het achteroppervlak weer te geven, waardoor de prestaties nog beter werden.

“Op deze manier konden we een modulatiediepte van meer dan vier orden van grootte bereiken,” zei Dr. Ruqiao Xia, die de apparaten bouwde en gemeten tijdens haar Ph.D. bij het Cavendish Laboratory. “Dit is een van de hoogste waarden ooit gerapporteerd in het terahertz -bereik.”

Bovendien zijn de aangetoonde apparaten ook snel. Over het algemeen is het gemakkelijk om grote modulatie te realiseren met lage snelheden, of kleine modulatie met grote snelheden, maar niet samen. Deze nieuwe apparaten bereiken een ongekende intensiteitsmodulatiediepte (> 99,99%) in combinatie met een snelheid van al 30 MHz.

“De prestaties van onze apparaten zijn aanzienlijk groter dan die van veel vergelijkbare modulatietechnologieën, en dankzij het gebruik van metamaterialen kunnen we het ontwerp aanpassen voor gebruik over het hele terahertz -bereik,” uitgewerkt Ruqiao.

Naast de onmiddellijke prestatieverbeteringen, gelooft het team dat hun ontwerp veel toekomstige technologieën zou kunnen beïnvloeden.

“Door het ontwerp van de kloof op nanoschaal te veranderen in elk metamateriaal dat op een resonator vertrouwt, kunt u de optische respons aanzienlijk beïnvloeden en dus de modulatie -efficiëntie verbeteren,” legde Wladislaw uit. “De aanpak die we hier hebben gevolgd, kan worden toegepast op vele andere soorten metamateriaal-gebaseerde modulatoren.”

Terahertz -technologieën bevinden zich nog in een vroeg stadium, maar hun potentieel groeit snel.

“Terahertz -golven kunnen veel toepassingen hebben in materiaalspectroscopie, beveiligingsscreening, farmaceutica, geneeskunde en Terahertz -communicatie. Het aspect waar we ons op richten in ons huidige project, Teracom, is de ontwikkeling van toekomstige communicatiesystemen,” zei Prof David Ritchie, hoofd van de Semiconductor Physics Group in de Cavendish. “Deze resultaten zijn een grote stap vooruit naar de realisatie van de volgende generatie communicatiesystemen, voorbij het tijdperk van 5G en 6G.”

Het team werkte samen met collega’s aan het Department of Engineering aan de Cambridge University, Queen Mary University of London en de Universiteit van Augsburg, Duitsland, aan dit werk.