Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Сделан шаг к разработке миниатюрных приемников сигналов связи
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.
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!
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.
Telegram 
Дзен 
VK Подобно летучим мышам, ориентирующимся в темноте, человек тоже может полагаться на эхо от звуковых сигналов, например щелчков языком, чтобы оценить расстояние до объектов. Как показало новое исследование, эхолокация — это навык, которому можно научиться.
Канализационный коллектор — скрытый источник загрязнения воздуха в городе. Через его вентиляционные шахты накопленный сероводород и другие агрессивные газы вместе с патогенной микрофлорой выталкиваются на поверхность при сверхплановом заполнении. Эта ядовитая смесь вредит здоровью людей и разъедает бетонные конструкции канализаций. Существующие сегодня защитные механизмы и дорогостоящие вентиляционные системы очистки имеют ограничения: конечные фильтры при достижении пиковой концентрации опасных испарений уходят в аварийный режим. Ученые ПНИПУ и компании «Вентмонтаж» разработали новое решение на основе гидрофильтра. Внедрение системы избавит воздух на 96,8% от механических примесей и на 65% снизит выброс агрессивных газов, а с помощью озонатора обеспечит полное обеззараживание.
Исследование показало, что регулярные медитативные практики значительно улучшают общее самочувствие и уменьшают проявления депрессивных состояний.
В 1980-х годах большую популярность приобрела борьба с озоновыми дырами. Из-за нее хладагенты из хлорфторгулеродов заменили на аналоги из гидрофторуглеродов. Теперь ученые выяснили, что эта замена — как и следующие за ней, уже в рамках борьбы с глобальным потеплением — ведет к накоплению в атмосфере довольно опасных «вечных химикатов».
Группа ученых представила расчеты, по которым события в центре Млечного Пути можно объяснить без черной дыры. Правда, с физической точки зрения новое объяснение существенно более экзотично — настолько, что возникает вопрос о его соответствии бритве Оккама.
Паническое расстройство характеризуется физическим напряжением, усиленным сердцебиением и одышкой. Ученые из Бразилии нашли способ бороться с этим недугом, создавая схожее физическое напряжение, но в спокойной и контролируемой обстановке — во время физупражнений.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
Международная команда палеонтологов описала новый вид динозавра размером с крупную современную птицу. Он носил на голове плотный костяной нарост, который эти животные, возможно, использовали для внутривидовых разборок. Находка показывает, что даже мелкие хищники мелового периода могли решать конфликты не только когтями и зубами, но и ударами головой.
Образцы грунта, взятые астронавтами полвека назад, вложили еще один важный кирпич в здание научной картины мира: гипотеза о том, что Земля исходно была сухой, не стыкуется с фактами. Похоже, идею о невозможности сохранения большого количества воды на «теплых» планетах придется пересмотреть.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно