Naukowcy z Centrum Badań i Zastosowań Terahercowych CENTERA w Warszawie, utworzonego w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, odkryli możliwość wzmacniania fal terahercowych przez nanostruktury grafenowe w temperaturze pokojowej. Odkrycie otwiera drogę do opracowania nowatorskich technologii wykorzystujących promieniowanie terahercowe.
Promieniowanie terahercowe (THz) to fale umiejscowione w zakresie częstotliwości leżącym pomiędzy mikrofalami a promieniowaniem podczerwonym. Oznacza to, że częstotliwości 1 THz odpowiada długość fali około 0,3 mm i z tego względu fale terahercowe nazywane są także falami submilimetrowymi. Dotychczas były one wykorzystywane sporadycznie, jedynie przez astronomów do obserwacji odległych zakątków wszechświata. Jednak promieniowanie terahercowe nadaje się również m.in. do prześwietleń i analizy składu wielu materiałów (jak plastik, papier, tkaniny, drewno) oraz do szybkiego przekazywania informacji – szybszego niż obecnie 4G. Przyszłe technologie 5G i 6G komunikacji bezprzewodowych będą używały fal terahercowych jako nośników informacji.
– Potencjał aplikacyjny fal THz wynika z ich bardzo interesujących właściwości, np. z łatwości przenikania przez większość materiałów niemetalicznych. W przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego, nie są one szkodliwe dla ludzi i zwierząt, a ponadto rozprzestrzeniają się w powietrzu, zapewniając wizję w trudnych warunkach atmosferycznych lub przenosząc ogromną ilość informacji. Dlatego w wielu warunkach mogą zastąpić promieniowanie rentgenowskie lub prowadzić do całkowicie nowych zastosowań – mówi prof. dr hab. Wojciech Knap.
Jest on jednym z założycieli i liderów ośrodka CENTERA, który powstał dzięki wsparciu finansowemu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej w wysokości prawie 34,5 mln zł w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze (MAB). Nadrzędnym celem CENTERY jest opracowanie przełomowych technologii, wykorzystujących promieniowanie terahercowe, jak np. szybkie skanery czy analizatory składu chemicznego, nadające się do zastosowania w różnych obszarach gospodarki i nadzoru bezpieczeństwa. Jak dotąd praktyczne wykorzystanie promieniowania THz nie było możliwe ze względu na wysokie koszty oraz duże rozmiary i energochłonność obecnych nadajników i detektorów fal THz. Aby wprowadzić technologie THz na szeroki rynek, CENTERA prowadzi interdyscyplinarne badania nad możliwościami generowania, emitowania, przetwarzania i odbierania fal THz przez systemy oparte na znanych i tanich technologiach urządzeń półprzewodnikowych (jak tranzystory i układy scalone).
– Fale THz oferują wiele nowych możliwości, ale przed nami stoi też wiele wyzwań. W szczególności potrzebne są kompaktowe źródła i wzmacniacze mocy, które są w stanie pracować w obszarze fal THz. Już ponad czterdzieści lat temu na świecie rozpoczęły się badania doświadczalne nad wykorzystaniem do tworzenia wzmacniaczy i źródeł THz oscylacji plazmonów pobudzonych przepływem prądu w dobrze znanych półprzewodnikach: krzemie i arsenku galu – mówi prof. Knap.
Plazmony to fale gęstości elektronów (podobne do fal dźwiękowych), które mogą pojawiać się, gdy światło (złożone z fotonów) zaczyna oddziaływać z materią. Plazmony mogą również powstawać na skutek przepływu prądu, podobnie jak przepływ powietrza może prowadzić do wzbudzenia dźwięków w instrumentach dętych. W pewnych szczególnych warunkach, gdy płynie prąd i materia jest oświetlana światłem THz o częstości bliskiej częstości oscylacji plazmonowych, energia prądu może zostać przekazana fotonom. Następuje wtedy wzmocnienie promieniowania THz.
– Wcześniejsze eksperymentalne próby zrealizowania wzmacniaczy lub źródeł promieniowania THz opartych na oscylacji plazmonów i pracujących w temperaturze pokojowej, kończyły się niepowodzeniem: intensywność promieniowania okazywała się zbyt niska lub konieczne było zastosowanie temperatur kriogenicznych. Jednak pojawienie się układów opartych na grafenie, oferujących świetne właściwości elektryczne i optyczne w temperaturze pokojowej, na nowo rozbudziło zainteresowanie tą tematyką – kontynuuje prof. Knap.
W wyniku współpracy naukowców z CENTERY (prof. Wojciecha Knapa, dra Dmytro Buta i prof. IWC PAN Valentina Kachorovskiego) z jej japońskim partnerem – Tohoku University – udało się zademonstrować możliwość wzmacniana promieniowania THz w temperaturze pokojowej, przez specjalnie skonstruowane nanostruktury grafenowe, wykorzystujące do tego celu pobudzenie prądem, absorpcję światła i oscylację plazmonów.
– Uzyskane przez nas wyniki doświadczalne oczywiście wymagają jeszcze pracy zwłaszcza w dziedzinie technologii materiałów – tak by mogły służyć do konstrukcji nowych szeroko stosowanych urządzeń. Jednak wydaje się, że otwierają one już dziś drogę do stworzenia nowej generacji w pełni elektronicznych wzmacniaczy THz, pracujących w temperaturze pokojowej – podkreśla prof. Knap.
Praca opisująca to doświadczenie pt. Room Temperature Amplification of Terahertz Radiation by Grating-Gate Graphene Structures została opublikowana w renomowanym czasopiśmie Physical Review X – Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego (APS). Posiada ono jeden z największych wskaźników „Impact Factor” wśród wszystkich czasopism APS z dziedziny fizyki. Publikuje jedynie prace o przełomowym znaczeniu.
źródło: FNP