• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
26.01.2023
ФизТех
443

Графеновый фотодетектор различил «секретную» информацию в световых волнах

4.5

Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали фотодетектор, способный различать информацию о поляризационном состоянии световой волны. Эта информация дополняет знания о цвете и яркости, недоступна человеческому глазу и многим современным фотоприемникам, однако может быть важна для оптоволоконных линий связи нового поколения.

Фото бабочек: слева обычный снимок, справа — поляризационный / ©Sweeney, A., Jiggins, C. & Johnsen, S. Polarized light as a butterfly mating signal. Nature 2003 / Автор: Александр Литвинов

Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters. Человеку привычны две характеристики света — цвет и яркость, однако есть и скрытые от глаза свойства излучения. Одним из таких является поляризация световой волны, или, проще говоря, ее ориентация в пространстве. Тем не менее поляризацию можно легко увидеть глазом, «вооруженным» поляризационными очками. Смотря через них на небо или на поверхность воды, можно наблюдать изменение яркости картинки при вращении очков.

В эпоху цифровых технологий и больших объемов информации важной задачей является уплотнение данных. Представьте, что вам нужно записать текст объемом в три страницы, а у вас есть только одна страница бумаги. Заполнив ее полностью, можно взять ручку другого цвета и писать ей поверх уже написанного текста, а потом — повернуть страницу горизонтально и записать оставшуюся часть. Конечно же, человеку читать такой текст будет сложно, но запрограммированный нужным образом компьютер с легкостью извлечет такую информацию.

В действительности при передаче данных по оптоволокну другой цвет чернил соответствует другой длине волны излучения, а повернутый текст соответствует повернутой поляризации. Такие ухищрения как раз и позволяют одновременно задействовать несколько параллельных информационных каналов. Передача сигналов, зашифрованных в поляризации, распространена не так широко, но иногда бывает незаменима. Например, она используется спутниками для передачи данных. А иногда скрытая в поляризации информация может и вовсе быть уникальной, как, например, поляризация космического излучения. Расшифровка таких данных позволяет получить новые научные знания в задачах астрофизики.

Схематическое изображение фотодетектора на основе графена с двумя металлическими контактами (сток и исток) и управляющим контактом (затвор) на кремниевой подложке (слева, вид сбоку). Микрофотография одного из изученных детекторов (справа, вид сверху) / ©Пресс-служба МФТИ

Одна из сложностей передачи информации по поляризационному каналу состоит в ее последующем извлечении. Так как поляризация характеризует излучение с точки зрения его положения в пространстве, то для ее считывания нужны детекторы с некоторыми выделенными направлениями. Простейшие реализации используют детекторы с вращающимся поляризатором. Однако наличие механической составляющей автоматически ограничивает такой детектор в скорости работы. Для решения данной проблемы современные конструкции используют анизотропные переключаемые материалы.

В представленной работе авторы обнаружили анизотропию в детекторе на переходе «графен — металл». Этот переход регулируется поперечным электрическим полем. С двух сторон к графену, лежащему на подложке, подключены золотые контакты. Детектирующими элементами в данном случае являются переходы «графен — металл». В конструкции есть и третий контакт — затвор. Он соединен с кремниевой подложкой, на которой расположен детектор, отделенный от кремния тонким слоем оксида.

Затвор используется в качестве управляющего элемента, подача напряжения на который образует электрическое поле, которое, в свою очередь, позволяет регулировать электронные свойства графена. Именно такая электрическая регулировка позволяет значительно повысить скорость работы детектора по сравнению с механическими вариантами. Кроме того, управляющее затворное напряжение не создает дополнительных шумов, так как оно не подается напрямую между двумя контактами к графену.

Валентин Сёмкин, аспирант МФТИ, рассказывает: «Мы обнаружили две удивительные особенности в функционировании детектора. Первое: излучение, поляризованное перпендикулярно границе “графен — металл”, испытывает значительное усиление. Второе: существуют напряжения на затворе, при которых сигнал детектора не зависит от поляризации». Природу усиления электрического поля можно объяснить усилением полей вблизи острых поверхностей, подобно огням святого Эльма, возникающим во время грозы. А наличие нечувствительного к поляризации режима работы детектора является следствием конкуренции нескольких механизмов генерации фотонапряжения.

Как уже стало ясно, графен-металлический переход способен не просто генерировать напряжение в ответ на его освещение, а еще и масштабировать величину этого напряжения в зависимости от поляризации возмущающего излучения. Однако к масштабированию также может привести обыкновенное увеличение интенсивности источника. Как же в таком случае понять, что привело к изменению сигнала: изменение интенсивности или поворот поляризации излучения?

Решить эту задачу авторам помогла одна из особенностей отклика. Устанавливая на затворе такое «калибровочное» напряжение, при котором реализуется поляризационно-нечувствительный режим, всегда можно выполнить нормировку на интенсивность источника. После этого возможно уже однозначно определить ориентацию в пространстве регистрируемых электромагнитных волн.

«Исследованные нами детекторы смогут найти применение в научных задачах спектроскопии, в скоростных оптоволоконных линиях связи, а также в фото- и видеокамерах с возможностью записи “поляризованных” изображений, — резюмирует Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — Но наиболее важным результатом я считаю идею о том, что контакты металла и двумерного полупроводника сильно меняют состояние световой волны и мы можем управлять этими изменениями. Сейчас мы развиваем эту идею для создания принципиально новых классов фотодетекторов, возможности которых не ограничены чтением поляризации».  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 14:02
Татьяна

Больше 10 лет Curiosity ищет свидетельства обитаемости Марсе. В его арсенале — инструменты для анализа горных пород и минералов, сформированных в эпохи, когда Красная планета была пригодна для органической жизни. И вот новое открытие: на пути к пику Шарп в ударном кратере Гейла марсоход впервые обнаружил кристаллы серы — необходимого строительного элемента белков.

Позавчера, 11:31
ПНИПУ

День металлурга в 2024 году россияне отмечают 21 июля. Ученые Пермского Политеха рассказали, какой металл самый распространенный, какой — не утонет в воде, где можно встретить титан, можно ли потрогать обедненный уран, что опаснее — вдохнуть или проглотить ртуть, есть ли ее безопасный аналог и какой элемент не существует в чистом виде.

8 часов назад
Александр Березин

Ровно 55 лет назад США высадили людей на Луне. Почему они, а не мы? Это объясняли и неспособностью создать достаточно мощные двигатели для советской лунной ракеты, и ошибками в проектировании ракеты, и нехваткой финансирования. Все эти версии объединяет одно: они резко противоречат документам. Из них складывается совершенно иная картина проигрыша. Так что же на самом деле погубило советскую лунную программу? И отчего последствия этого удара до сих пор так больно бьют по «Роскосмосу»?

15 июля
Александр Березин

Авторы нового исследования впервые показали, что круглые провалы в лунной поверхности не просто близки к многокилометровым пещерам на естественном спутнике Земли, но и располагают тоннелями, ведущими в глубину.

16 июля
Александр Березин

Традиционное представление о роли человека в земных экосистемах известно: он нарушает их нормальную работу и снижает биоразнообразие. Однако первая попытка изучить следы пыльцы за последние 12 тысяч лет принесла скорее противоположные данные — как минимум для континентов, полностью расположенных в Северном полушарии.

16 июля
Татьяна

Аппарат «Кассини», работавший на орбите Сатурна с 2004 по 2017 год, детально картировал его крупнейший спутник — Титан. Выяснилось, что ближе к полярным областям на поверхности есть моря и озера с жидкими углеводородами, куда впадают пополняемые атмосферными осадками реки. По мере изучения этой информации у исследователей возникло все больше вопросов. Каков состав жидкости и что определило очертания береговых линий? Воспользовавшись данными радарной съемки, американские ученые уточнили состав морей Кракена, Лигеи и Пунги и описали свойства их поверхностей.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно