Группа исследователей из России, Японии и США, включая сотрудников МФТИ Дмитрия Свинцова и Владимира Леймана, а также выпускника Физтеха Виктора Рыжия, спроектировала графеновый детектор терагерцового излучения. Ключевой особенностью предложенного физиками устройства является использование механических, то есть подвижных, деталей для повышения чувствительности прибора. Подробности приведены в статье, опубликованной в журнале Journal of Physics D: Applied Physics и доступной в архиве препринтов arxiv.org
Терагерцовое излучение занимает в спектре электромагнитных волн промежуточное место между СВЧ- и инфракрасным излучением. Благодаря высокой частоте колебаний, оно может обеспечить высокую скорость передачи данных по беспроводным сетям, а небольшая энергия квантов и хорошая проникающая способность делают его незаменимым инструментом для медицинской диагностики. Долгое время практическое применение терагерцового излучения было затруднительным из-за отсутствия эффективных источников и детекторов для данного диапазона. Сейчас терагерцовая техника переживает период бурного развития, создаются терагерцовые спектрометры и сканеры, позволяющие получать полномасштабные изображения.
Возрастает и потребность в более совершенных детекторах с высокой чувствительностью и высоким соотношением сигнал/шум. Новое устройство представляет собой полевой транзистор, затвор которого выполнен в виде гибкого графенового лепестка. Поскольку графен является материалом с наименьшей возможной толщиной (один атом), он отличается уникальными механическими свойствами: высокой прочностью, жесткостью и, следовательно, высокой частотой собственных механических колебаний. Но одной прочностью достоинства графена не ограничиваются — двумерный углерод еще хорошо проводит ток и отличается высокой подвижностью носителей заряда. Сочетание механических и электрических характеристик графена должно, по представленным расчетам, обеспечить при взаимодействии с терагерцовым излучением сразу несколько эффектов. Вначале падающее излучение войдет в резонанс с колебаниями электронов в графене — этот эффект известен как плазменный резонанс (плазменные волны: коллективные колебания электронов в металлах и полупроводниках). За счет этого возрастет амплитуда колебаний электронов и, как следствие, напряженность поля в пространстве между графеновой мембраной и отделенным от нее небольшим зазором каналом транзистора. Электрическое поле будет притягивать мембрану, причем величина силы притяжения будет меняться со временем пропорционально квадрату напряженности поля. Если падающее на мембрану терагерцовое излучение модулировано, то в колебаниях поля будет и гармоника*, соответствующая частоте модулирующего сигнала.
Схема детектора
*Гармониками называют синусоидальные колебания — любой реальный колебательный процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний. Под модуляцией подразумевается изменение формы высокочастотного сигнала в соответствии с сигналом меньшей частоты: модуляция лежит в основе радиопередачи любых сигналов, как аналоговых (речь по радио), так и цифровых.
Наличие дополнительной модуляционной гармоники вызовет механический резонанс, если частота гармоники совпадет с частотой собственных колебаний мембраны. В условиях резонанса амплитуда колебаний мембраны многократно возрастет; она начнет раскачиваться подобно мосту, по которому марширует военный отряд. Так как прочность графена достаточно высока, мембрана выдержит эти колебания без разрыва — но ее движение неизбежно скажется на электрических параметрах транзистора в целом. За счет изменения электрической емкости между графеном и подложкой будет изменяться протекающий по цепи ток, а эти изменения можно легко обнаружить. Разумеется, двойной плазменно-механический резонанс в данном приборе возможен только при детектировании модулированного излучения, но, как рассказал пресс-службе Дмитрий Свинцов, именно модулированное терагерцовое излучение очень важно с практической точки зрения. «Терагерцовый сигнал, модулированный на частоте сотен МГц или единиц ГГц, — это то, благодаря чему (возможно) в будущем будет передаваться информация в Wi-Fi устройствах. Сейчас и частоты несущих, и частоты модуляции в системах беспроводной связи растут, что позволяет быстрее передавать данные», — пояснил исследователь.
