Ученые из России превратили графен в детектор «раздевающих» лучей

0

Нобелевский лауреат Андрей Гейм и его коллеги из МФТИ создали компактный детектор терагерцовых волн на базе графена, который можно легко встроить в мобильный телефон или компьютерный чип. Принципы его работы и связанные с ним неожиданные открытия были представлены в журнале Nature Communications.

«Наш детектор является, по сути, компактным спектрометром терагерцового излучения, — по его сигналу можно узнать не только интенсивность света, но и его частоту. В лабораторных спектрометрах это достигается путем перемещения зеркал. Здесь же прибор имеет размер в несколько микрон», — объясняет Георгий Федоров из Московского Физтеха.

Терагерцовое излучение относится к числу самых перспективных направлений исследований в области оптики, микроэлектроники и в других высокотехнологичных сферах. В перспективе, волны такого типа можно приспособить для сверхскоростной передачи информации, наблюдения за работой живых клеток в режиме реального времени и множества других целей.

Одна из таких целей и самое известное свойство этого излучения — теоретическая способность делать наблюдаемые объекты "прозрачными". К примеру, недавно ученые из MIT научились читать закрытые книги, используя источник и приемник Т-излучения и специальную программу, анализирующую получаемые ими снимки.

Распространению подобных технологий, по словам Федорова и его коллег, мешает то, что все существующие сегодня детекторы подобных волн имеют огромные размеры, они устроены крайне сложно с технической точки зрения и потребляют большие количества электричества.

Причина этого проста — терагерцовые волны обладают слишком большой длиной для того, чтобы их можно было улавливать при помощи транзисторов, аналогичных тем, на базе которых построены светочувствительные матрицы во всех цифровых камерах и телескопах.

Ученые достаточно давно пытались преодолеть эту проблему, используя так называемые плазмонные резонаторы — наборы из микроскопических кусочков металлов, кремния или других веществ, покрывающих поверхность другого материала.

Подобные конструкции преобразуют свет, инфракрасное излучение или прочие типы электромагнитных волн в другие типы колебаний, а затем переизлучают его в виде "порций" фотонов с другими свойствами или преобразуют в импульсы электричества.

Первые попытки создать плазмонные устройства, взаимодействующие с "раздевающими лучами", закончились неудачно. Их работе мешали различные помехи и процессы внутри подобных резонаторов, гасившие коллективные колебания электронов, возникавшие внутри них при поглощении Т-лучей.

Федоров и его коллеги решили эту проблему, научившись выращивать подобные структуры на поверхности графена — абсолютно плоского углеродного материала, за создание которого Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию 2010 года.

Электроны внутри графена, как объясняют физики, могут двигаться с рекордно высокой скоростью, почти не сталкиваясь с препятствиями. Это натолкнуло их на мысль, что данный материал можно использовать в качестве базы для резонаторов, способных поглощать "раздевающие лучи".

Они успешно реализовали эту идею, подключив антенну, способную улавливать терагерцовые волны, к транзистору, собранному из двух пленок из нитрида бора, еще одного "плоского" материала, и двойного слоя графена, упакованного между ними.

Колебания электронов, возникающие внутри резонатора, будут влиять на то, как электричество движется через вход и выход этого транзистора. Это, как показали опыты Гейма и его коллег, позволяет не только "видеть" Т-лучи, но и "настраиваться" на отдельную часть их спектра, меняя напряжение на затворе транзистора.

Это же свойство их детища, по словам физиков, позволяет использовать его для обратной цели — изучения свойств плазмонных резонаторов и принципов их работы. Первые же опыты раскрыли несколько неожиданных и крайне интересных вещей.

«Эксперимент показывает, что преобразование терагерцового излучения в постоянный ток идет не совсем по предсказанным законам. Поначалу это огорчает, но затем заставляет нас искать подводные камни, приводящие к затуханию плазмонов. Некоторые из них мы уже обнаружили. Когда их удастся устранить, спектр применений этих детекторов станет еще шире», — заключает Дмитрий Свинцов, коллега Федорова.