• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
8 февраля
ФизТех
2 800

Сделан шаг к разработке миниатюрных приемников сигналов связи

4.6

Ученые из МФТИ, университетов Регенсбурга (Германия) и Канзаса, а также Массачусетского технологического института (США) обнаружили аномально сильное поглощение света в намагниченном графене. Эффект возникает из-за превращения обычных электромагнитных волн в сверхмедленные поверхностные волны, бегущие по графену. Явление может помочь в разработке новых приемников сигналов связи, размеры которых будут гораздо меньше существующих при схожей эффективности поглощения.

“Застывший” в графене свет / ©Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в престижном журнале Nature Physics. Повседневный опыт учит нас, что эффективность сбора световой энергии пропорциональна площади поглотителя. Наглядное подтверждение этому – «поля» солнечных батарей, которыми усеяны многие пустыни. Может ли предмет поглощать излучение с площади, большей, чем он сам? Оказывается — да, и это возможно, когда частота света находится в резонансе с движением электронов в поглотителе.

При этом площадь захвата излучения оказывается порядка квадрата длины световой волны, хотя сам поглотитель может быть чрезвычайно малым. Например, атом водорода имеет площадь порядка квадратного ангстрема. Но если его осветить излучением, синхронным по частоте с переходом между электронными орбитами, площадь захвата может возрасти где-то в двести тысяч раз.

Явления резонансного поглощения света активно «приручаются» для приема электромагнитных волн — от радиочастотного до ультрафиолетового диапазона. Наиболее практичным резонансным приемником является антенна — металлический штырь с длиной около половины длины волны излучения. Условия резонанса требуют определенного размера антенны. Чувствительная металлическая антенна должна быть сравнимой по размеру с длиной волны, а если она будет меньше — то она уже заметно теряет в чувствительности!

Исследованный образец / ©Nature Physics 

Например, для мобильной передачи данных по протоколу 6G предлагается использовать частоту в 0,1 терагерц. Это потребует антенн с размером около трех миллиметров, что сопряжено с большой и дорогостоящей площадью на чипе смартфона. В связи с этим исследователи ищут возможности создания сверхкомпактных и резонансных поглотителей излучения.

Интересными и перспективными в связи с этим считаются два класса резонансов. Оба они встречаются в полупроводниках — материалах, которые уже являются основой цифровых и аналоговых приборов на чипах. Первый резонанс называется плазмонным и связан с синхронным движением электронов и электромагнитного поля от одной границы образца к другой.

Второй резонанс называется циклотронным. Он возникает при совпадении частоты электромагнитной волны с частотой вращения электрона по круговой орбите в магнитном поле. Оба резонанса успешно исследовались экспериментально. Однако эффект усиления поглощения в большинстве исследованных полупроводников до сих пор был мал для практических приложений.

В нынешней работе было исследовано поглощение электромагнитных волн в условиях, когда оба резонанса — циклотронный и плазмонный — существуют одновременно. Частота электромагнитных волн была выбрана в окрестности единиц терагерц: во-первых, из-за практической значимости терагерцового электромагнитного диапазона, а во-вторых — благодаря удобству наблюдения резонансных эффектов на этих частотах.

Терагерцовые эксперименты были выполнены в университете Регенсбурга. Материалом для исследования был выбран графен — слой атомов углерода. Высокая степень чистоты графена позволяет поддерживать в нем долгоживущие плазменные колебания. Дело в том, что колеблющиеся электроны могут пройти от одной границы образца до другой, ни разу не столкнувшись с примесями.

Подмагничивание графена «закручивает» электроны на орбиты, тем самым создавая условия для циклотронного резонанса. Уже при небольших значениях поля — около единицы Тесла — частота циклотронного резонанса попадает в желаемый терагерцовый диапазон. Графен в эксперименте освещался излучением терагерцового лазера. Чем больше света графен поглощает, тем сильнее он нагревается и тем сильнее меняется его сопротивление. Таким образом, изменение сопротивления графена под действием света – мера его поглотительной способности.

Удивительным результатом эксперимента оказалось сверхсильное поглощение излучения графеном на удвоенной частоте циклотронного резонанса. Сигнал на обычной циклотронной частоте был при этом относительно мал. Детальное сравнение эксперимента с теорией показало, что сильное поглощение связано со взаимодействием («гибридизацией») двойного циклотронного и плазмонного резонансов.

Вблизи частоты двойного циклотронного резонанса плазменные волны очень сильно замедляются — их скорость падает практически до нуля. Падающий на графен свет улавливается и превращается в сверхмедленную поверхностную волну, такие волны «застревают» в графене и находятся в нем, пока не будут поглощены.

«Факт усиления поглощения при возбуждении медленных поверхностных волн был известен достаточно давно, — рассказывает Денис Бандурин, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. — Однако раньше считалось, что поверхностные волны в полупроводниках не могут быть медленнее, чем электроны, которые движутся в волне. Для графена скорость электронов где-то в 300 раз медленнее скорости света. Наше исследование показывает, что предела для замедления света фактически не существует — он может быть замедлен до полной остановки при включении уже небольшого магнитного поля».

Необычное свойство графена – это то, что он совмещает в себе три роли: антенны, поглотителя, и генератора фототока. Обычно в полупроводниковой технике эти роли отводились разным материалам и разным приборам. При этом сильного поглощения в графене удается достичь при сверхмалом (субволновом) размере устройства.

«Мы ожидаем, что графен в магнитном поле может оказаться сверхпоглотителем, — комментирует соавтор исследования Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — То есть он будет захватывать свет не только с площади, превышающей свой геометрический размер. Он сможет захватывать свет с площади, большей квадрата длины волны. Аномально малая скорость плазмонов в намагниченном графене создает для этого все предпосылки».

В этом исследовании графен оказался очень удобной платформой для наблюдения аномально сильного терагерцового поглощения. Однако наблюдаемость явления не ограничена одним лишь графеном — множество природных материалов и наноструктур на их основе поддерживают сверхмедленные поверхностные волны. Одна из ближайших задач группы исследований — создание компактных сверхпоглотителей, не требующих низких температур и сильных магнитных полей. 

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
Предстоящие мероприятия
Вчера, 12:36
НИУ ВШЭ

В рамках международного проекта при участии Роскосмоса и Европейского космического агентства ученые впервые проанализировали данные, полученные с помощью диффузионной магнитно-резонансной томографии с трактографией головного мозга космонавтов. Исследователи увидели существенные изменения в связях между различными отделами головного мозга, причем некоторые изменения сохранялись даже спустя семь месяцев после возвращения на Землю.

Позавчера, 14:41
Ольга Иванова

Исследование ученых из Германии и США показало, что принятие определенных поз помогает справиться с чувством неуверенности.

Вчера, 21:09
Дарья Губина

Компьютерная модель древней вулканической активности спутника показала, как выброшенная вода тысячелетиями оседала инеем на поверхность, формируя многометровые слои льда под полюсами.

14 мая
Василий Парфенов

Космическую компанию Илона Маска в шутку иногда называют пиротехнической — так часто ее изделия взрываются во время испытаний. Пара свежих инцидентов на тестовом полигоне в городе Макгрегор лишь подтверждают эту славу. Не успели фанаты космонавтики наладить онлайн-трансляцию из этой локации, как запечатлели сразу два взрыва подряд с промежутком всего в десятки часов.

12 мая
Мария Азарова

Авторы нового исследования проверяли, насколько выполнение второстепенного задания влияет на аргументы, которые выдвигали люди, говорящие правду или неправду.

13 мая
Алиса Гаджиева

Один из самых археологически изученных ландшафтов в мире до сих преподносит сюрпризы.

21 апреля
Александр Березин

Местные чиновники пытаются переложить ответственность за случившееся на резкое уменьшение турпотока из-за коронавируса, но цифры показывают, что ключевая проблема совсем в другом. В 2019 году на выборах в этой стране победил президент — сторонник модных зеленых идей. Вскоре там запретили продажу минеральных удобрений и двинулись к «устойчивому сельскому хозяйству». Как именно популярные «органические» идеи повлияли на еще не так давно быстро растущую местную экономику? И почему уроки шри-ланкийской трагедии могут пригодиться даже Западу и России?

26 апреля
Василий Парфенов

Крупнейшие патентные ведомства мира десятилетиями или веками принципиально игнорируют любые конструкции, нарушающие начала термодинамики. С точки зрения здравого смысла это хорошо, но конспирологи и гении-самоучки считают иначе. По их мнению, такая политика стала результатом заговора (подставьте сюда любое вымышленное или не очень секретное общество либо лобби). Что ж, похоже, Роспатент встал на их сторону.

27 апреля
Александра Медведева

С помощью GPS-трекинга ученые проследили за перемещениями целой популяции домашних кошек в небольшом норвежском городке. Оказалось, питомцы редко уходят от дома далее 50 метров и почти не совершают длительных прогулок.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: