Spectres d'absorption/amplification mesurés de la réponse de l'appareil au rayonnement de l'onde de pouls térahertz. L'impulsion d'onde térahertz a été émise tout en augmentant la tension de drain du prototype de transistor au graphène. Caractéristiques d'absorption (spectre de fréquence) du transistor au graphène, par rapport à l'onde de pouls incidente, ont été obtenus à partir de la forme d'onde de réponse temporelle de l'onde de pouls transmise. Lorsque la tension de drain est supérieure à une certaine valeur seuil, une caractéristique d'amplification (une absorption négative) avec le gain maximal de 0,09 (9 %) a été obtenue. Crédit :Université du Tohoku
Le professeur Taiichi Otsuji de l'Université de Tohoku a dirigé une équipe de chercheurs internationaux pour démontrer avec succès une amplification cohérente à température ambiante du rayonnement térahertz (THz) dans le graphène, entraîné électriquement par une batterie sèche.
Il y a environ 40 ans, l'arrivée de l'électronique à ondes plasma a ouvert une multitude de nouvelles opportunités. Les scientifiques étaient fascinés par la possibilité que les ondes plasma puissent se propager plus rapidement que les électrons, suggérant que les dispositifs dits "plasmoniques" pourraient fonctionner à des fréquences THz. Cependant, les tentatives expérimentales pour réaliser de tels amplificateurs ou émetteurs sont restées insaisissables.
"Notre étude a exploré le couplage lumière THz-plasmon, absorption lumineuse, et l'amplification à l'aide d'un système à base de graphène en raison de ses excellentes propriétés électriques et optiques à température ambiante, ", a déclaré le professeur Otsuji, basé au laboratoire de traitement du signal à très large bande de l'institut de recherche en communication électrique (RIEC) de l'université de Tohoku.
L'équipe de recherche, composé de membres japonais, Français, institutions polonaises et russes, conçu une série de structures de transistor à canal monocouche-graphène. Ceux-ci comportaient une porte originale à double collecte qui fonctionnait comme une antenne très efficace pour coupler les rayonnements THz et les plasmons de graphène.
Une image vue de dessus au microscope électronique à balayage d'une structure de transistor en graphène fabriquée en cours de mesure. Il présente la structure d'électrode de transistor unique appelée "grille à double réseau, " où deux ensembles d'électrodes de grille qui ont une forme de réseau en peigne sont préparés et disposés de manière interdigitée. Crédit :Université de Tohoku
L'utilisation de ces dispositifs a permis aux chercheurs de démontrer l'absorption plasmonique résonante accordable qui, avec une augmentation du courant, entraîne une amplification du rayonnement THz. Le gain d'amplification jusqu'à 9 % a été observé dans le graphène monocouche, bien au-delà du niveau de repère bien connu de 2,3 % qui est le maximum disponible lorsque les photons interagissent directement avec les électrons sans excitation de plasmons de graphène.
Pour interpréter les résultats, l'équipe de recherche a utilisé un modèle de cristal plasmonique dissipatif, capter les principales tendances et la physique de base des phénomènes d'amplification. Spécifiquement, le modèle prédit l'augmentation du courant continu du canal qui entraîne le système dans un régime d'amplification. Cela indique que les ondes plasma peuvent transférer l'énergie continue dans les ondes électromagnétiques THz entrantes de manière cohérente.
"Parce que tous les résultats ont été obtenus à température ambiante, nos résultats expérimentaux ouvrent la voie à une nouvelle technologie plasmonique THz avec une nouvelle génération de tout-électronique, résonnant, et amplificateurs THz commandés en tension, " a ajouté le professeur Otsuji.
