Ultrasnelle en afstembare omzetting van hoogfrequente signalen in zichtbaar licht

Een studie uitgevoerd door een onderzoeksteam van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), het Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), University of Exeter Centre for Graphene Science en TU Eindhoven toont aan dat op grafeen gebaseerde materialen kunnen worden gebruikt om hoogfrequente signalen efficiënt om te zetten in zichtbaar licht, en dat dit mechanisme ultrasnel en afstembaar is, zoals het team zijn bevindingen presenteert in Nano-brieven.

Deze uitkomsten openen de weg naar opwindende toepassingen in de nabije toekomst van informatie- en communicatietechnologieën.

De mogelijkheid om signalen van het ene frequentieregime naar het andere om te zetten, is essentieel voor verschillende technologieën, met name in de telecommunicatie, waar bijvoorbeeld door elektronische apparaten verwerkte gegevens vaak als optische signalen via glasvezels worden verzonden.

Om aanzienlijk hogere datatransmissiesnelheden mogelijk te maken, zullen toekomstige 6G draadloze communicatiesystemen de draaggolffrequentie moeten uitbreiden van meer dan 100 gigahertz tot het terahertz-bereik. Terahertz-golven maken deel uit van het elektromagnetische spectrum dat ligt tussen microgolven en infrarood licht.

Terahertz-golven kunnen echter alleen worden gebruikt om gegevens draadloos over zeer beperkte afstanden te transporteren. “Daarom is een snel en controleerbaar mechanisme nodig om terahertz-golven om te zetten in zichtbaar of infrarood licht, dat via optische vezels kan worden getransporteerd. Beeldvormings- en detectietechnologieën kunnen ook baat hebben bij een dergelijk mechanisme”, zegt Dr. Igor Ilyakov van het Instituut van Stralingsfysica aan de HZDR.

Wat tot nu toe ontbreekt, is een materiaal dat fotonenergieën met een factor van ongeveer 1000 kan opwaarderen. Het team heeft pas onlangs de sterke niet-lineaire respons geïdentificeerd van zogenaamde Dirac-kwantummaterialen, bijvoorbeeld grafeen en topologische isolatoren, op terahertz-lichtpulsen. .

“Dit komt tot uiting in de zeer efficiënte generatie van hoge harmonischen, dat wil zeggen licht met een veelvoud van de oorspronkelijke laserfrequentie. Deze harmonischen bevinden zich nog steeds binnen het terahertz-bereik, maar er waren ook eerste waarnemingen van zichtbare lichtemissie van grafeen op infrarood en terahertz-excitatie”, herinnert Dr. Sergey Kovalev van het Institute of Radiation Physics aan HZDR zich. “Tot nu toe was dit effect buitengewoon inefficiënt en was het onderliggende fysieke mechanisme onbekend.”

Het mechanisme erachter

De nieuwe resultaten bieden een fysische verklaring voor dit mechanisme en laten zien hoe de lichtemissie sterk kan worden verbeterd door gebruik te maken van hooggedoteerd grafeen of door gebruik te maken van een rooster-grafeen-metamateriaal – een materiaal met een op maat gemaakte structuur die wordt gekenmerkt door speciale optische, elektrische of magnetische eigenschappen. Het team merkte ook op dat de conversie zeer snel plaatsvindt – op een tijdschaal van minder dan een nanoseconde – en dat deze kan worden gecontroleerd door elektrostatische poorten.

“We schrijven de lichtfrequentieconversie in grafeen toe aan een terahertz-geïnduceerd thermisch stralingsmechanisme, dat wil zeggen dat de ladingsdragers elektromagnetische energie absorberen van het invallende terahertz-veld. De geabsorbeerde energie verdeelt zich snel in het materiaal, wat leidt tot dragerverwarming; en uiteindelijk dit leidt tot emissie van fotonen in het zichtbare spectrum, vergelijkbaar met licht dat wordt uitgezonden door een verwarmd object”, legt prof. Klaas-Jan Tielrooij van ICN2’s Ultrafast Dynamics in Nanoscale Systems-groep en de Technische Universiteit Eindhoven uit.

De afstembaarheid en snelheid van de conversie van terahertz naar zichtbaar licht die wordt bereikt in op grafeen gebaseerde materialen, heeft een groot potentieel voor toepassing in informatie- en communicatietechnologieën. Het onderliggende ultrasnelle thermodynamische mechanisme zou zeker een impact kunnen hebben op terahertz-naar-telecomverbindingen, evenals op elke technologie die ultrasnelle frequentieconversie van signalen vereist.