Ученые экспериментально показали, что с помощью одиночных углеродных нанотрубок можно различать закрученность терагерцового излучения. Продемонстрированный эффект может быть использован для разработки терагерцовых плазмонных интерферометров, детекторов и спектрометров на чипе. Такие приборы могут быть востребованы в различных отраслях от медицины до телекоммуникаций. Работа была опубликована в журнале американского оптического общества OSA Optics Express.
Плазменные волны (плазмоны) — это коллективные возбуждения электронов в проводящих материалах либо на границе раздела диэлектрик / металл и в тонких пленках. Область науки и техники, которая занимается изучением плазменных волн и разработкой устройств на их основе, называется плазмоникой. Главная идея плазмоники состоит в том, чтобы при помощи объектов, размер которых в сотни и тысячи раз меньше длины волны излучения, управлять энергией этого излучения — усиливать ее, преобразовывать, накапливать и передавать. На основе плазмонных эффектов можно создавать миниатюрные, но при этом энергоэффективные электронные устройства: источники и детекторы электромагнитного излучения, биосенсоры, волноводы, модуляторы и т. д.
Плазменные волны, подобно любым другим видам периодических возбуждений (например таким, как волны на воде или электромагнитные волны), способны интерферировать между собой. Явление интерференции широко применяется в различных областях науки от оптики до квантовой физики. Если удается создать систему, в которой при помощи изменения какого-то параметра можно контролируемо настраивать интерференцию, то такая физическая система может использоваться для решения прикладных задач. Это связано с тем простым фактом, что по изменению интерференционной картины можно получить информацию об источнике, который ее породил. Подобная ситуация как раз исследуется в описанном эксперименте.
Ученые сделали образцы со следующей конфигурацией: отдельно лежащие углеродные нанотрубки присоединяли к металлической антенне специальной геометрии. Эта структура была положена на оксидированный кремний, и в результате получился полевой транзистор, каналом которого являются отдельные углеродные нанотрубки. Облучая такой образец терагерцовым лазером перпендикулярно поверхности кремния, можно получить сигнал постоянного фотонапряжения, возникающий между рукавами антенны. В формировании сигнала могут участвовать различные физические механизмы в зависимости от температуры, частоты и мощности излучения, структуры образца и других параметров. В рамках этой работы ученым удалось показать экспериментально и теоретически, что сигнал постоянного фотонапряжения, возникающий в описанном устройстве, несет в себе отпечаток интерференции двух плазменных волн, распространяющихся в углеродных нанотрубках навстречу друг другу. Наблюдение явления стало возможным благодаря особой геометрии антенны и использованию поляризованного по кругу лазерного излучения.
«Сигнал постоянного фотонапряжения сильно различался для право- и лево-поляризованного излучения. В зависимости от того, в каком направлении закручено излучение, плазменные волны интерферируют в нашем устройстве по-разному», — говорит Максим Москотин, один из соавторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.
а) cхема устройства (в поперечном разрезе); b) принципиальная схема эксперимента
Примерно год назад эта же группа продемонстрировала аналогичный эффект в графене.
«Мы решили проверить, будет ли работать этот эффект в углеродных нанотрубках, потому что теоретические оценки показали, что время релаксации электронного импульса в трубках в 10 раз больше, чем в графене, — соответственно, коллективные электронные возбуждения должны затухать в них медленнее», — комментирует Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.
Авторам удалось не только продемонстрировать экспериментальный эффект, но и разработать теорию, которая этот эффект описывает. Главным выводом теории является тот факт, что вклад от интерференции плазменных волн будет присутствовать в сигнале постоянного фотоотклика на закрученное терагерцовое излучение независимо от размерности физической системы, в которой происходит интерференция, и спектра электронов в ней. Этот фундаментальный результат открывает широкое поле для дальнейших экспериментальных исследований и разработки прикладных устройств.
Терагерцовое излучение — это перспективный участок электромагнитного спектра, который активно исследуется в последние десятилетия. Характерная длина волны этого излучения делает его уникальным инструментом для неинвазивной медицинской диагностики, исследований космоса, систем безопасности и контроля на производствах. Следует отдельно отметить, что развитие телекоммуникаций, которое требует все более высоких скоростей передачи данных, уже привело новый стандарт связи 5G практически в область терагерцовых частот. Видимо, следующий стандарт (6G) будет использовать терагерцовые либо субтерагерцовые частоты для передачи информации.
Экспериментальный образец был изготовлен сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ. Экспериментальная часть выполнена на базе университета Регенсбурга (Германия). Теоретическая модель, описывающая работу устройства, предложена физиками из ФТИ им. А. Ф. Иоффе.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, РНФ и Министерства образования и науки РФ.
