Ondes dans le graphène. Crédit :@tsarcyanide/MIPT
Une équipe de chercheurs de Russie, Grande Bretagne, Le Japon et l'Italie ont créé un détecteur térahertz à base de graphène. L'étude a été publiée dans Communication Nature .
Tout système de transfert de données sans fil repose sur des sources et des détecteurs d'ondes électromagnétiques, mais ils ne sont pas disponibles pour tous les types de vagues. Les sources existantes de rayonnement térahertz, qui occupe un juste milieu entre les micro-ondes et la lumière infrarouge, consomment trop d'énergie ou nécessitent un refroidissement intense. Pourtant, les ondes T pourraient potentiellement permettre un Wi-Fi plus rapide, nouvelles méthodes de diagnostic médical, et des études d'objets spatiaux à l'aide de radiotélescopes.
La raison de l'inefficacité des détecteurs térahertz existants est le décalage entre la taille de l'élément de détection, le transistor - environ un millionième de mètre - et la longueur d'onde typique du rayonnement térahertz, ce qui est environ 100 fois plus important. Il en résulte que l'onde glisse devant le détecteur sans aucune interaction.
En 1996, il a été proposé que pour résoudre ce problème, l'énergie d'une onde incidente pourrait être comprimée dans un volume comparable à la taille du détecteur. Dans ce but, le matériau du détecteur doit supporter des "ondes compactes" d'un type particulier, appelés plasmons. Ils représentent le mouvement collectif des électrons de conduction et le champ électromagnétique associé, un peu comme les vagues de la mer de surface se déplaçant avec le vent lorsqu'une tempête s'installe. En théorie, l'efficacité d'un tel détecteur est encore augmentée sous résonance d'onde.
Disposition du détecteur. Le canal transistor, en graphène bicouche (BLG), est pris en sandwich entre deux cristaux de nitrure de bore hexagonal (hBN). Cette structure est placée sur un substrat de silicium oxydé (représenté en gris). Les deux manchons d'une antenne térahertz sont connectés entre la source et la grille supérieure, c'est-à-dire les électrodes gauche et supérieure représentées en or. La tension du signal est lue entre la source et les bornes de drain - les électrodes droite et gauche. Crédit :@tsarcyanide/MIPT
La mise en œuvre d'un tel détecteur s'est avérée plus difficile que prévu. Dans la plupart des matériaux semi-conducteurs, les plasmons subissent un amortissement rapide, c'est-à-dire ils meurent en raison de collisions d'électrons avec des impuretés. Le graphène était considéré comme une solution prometteuse, mais jusqu'à récemment, ce n'était pas assez propre.
Les auteurs de la recherche ont présenté une solution au problème de longue date de la détection des ondes T résonantes. Ils ont créé un photodétecteur (figure 1) fait de graphène bicouche encapsulé entre des cristaux de nitrure de bore et couplé à une antenne térahertz. Dans cette structure sandwich, les impuretés sont expulsées à l'extérieur du flocon de graphène, permettant aux plasmons de se propager librement. La feuille de graphène confinée par des fils métalliques forme un résonateur plasmon, et la structure bicouche du graphène permet un réglage de la vitesse des ondes dans une large gamme.
En réalité, l'équipe a développé un spectromètre térahertz compact, de plusieurs microns, avec la fréquence de résonance contrôlée via le réglage de la tension. Les physiciens ont également montré le potentiel de leur détecteur pour la recherche fondamentale :En mesurant le courant dans le détecteur à différentes fréquences et densités électroniques, les propriétés du plasmon peuvent être révélées.
"Notre appareil se double d'un détecteur sensible et d'un spectromètre fonctionnant dans le domaine térahertz, et c'est aussi un outil pour étudier les plasmons dans les matériaux bidimensionnels. Toutes ces choses existaient avant, mais ils occupaient toute une table optique. Nous avons emballé la même fonctionnalité dans une douzaine de micromètres, " a déclaré le co-auteur Dmitry Svintsov, qui dirige le Laboratoire de matériaux 2D pour l'optoélectronique à l'Institut de physique de Moscou.
