• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
28.10.2021
ФизТех
3
2 160

Углеродные нанотрубки приблизили создание плазмонного интерферометра на чипе

4.5

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.

Углеродные нанотрубки приблизили создание плазмонного интерферометра на чипе / ©Пресс-служба МФТИ

Работа 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 — 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 так далее.

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.

а) Схема устройства (в поперечном разрезе); b) принципиальная схема эксперимента / ©Пресс-служба МФТИ

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.

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 имени А. Ф. Иоффе. Работа выполнена при поддержке РФФИ, РНФ и Министерства образования и науки РФ.

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, 14:35
Анна Новиковская

С планированием длительных миссий на Луну и Марс перед человечеством все острее встает вопрос об обеспечении космонавтов кислородом для дыхания. Сейчас поддерживать дыхание людей на борту космических станций — сложный и дорогостоящий процесс, поэтому для будущих путешествий в космической бездне потребуются более совершенные технологии.

Вчера, 20:07
Редакция

На международном военно-техническом форуме «Армия-2022» представили робота для автономной охраны наземных объектов, которого уже испытали на космодроме Восточный и объектах Минобороны.

Позавчера, 14:02
Иван Лавренов

Некоторые пульсары покидают остатки сверхновых со скоростями более тысячи километров в секунду. Согласно новому исследованию, такую скорость им может придавать весьма необычное явление - мощное направленное нейтринное циклотронное излучение.

Позавчера, 14:02
Иван Лавренов

Некоторые пульсары покидают остатки сверхновых со скоростями более тысячи километров в секунду. Согласно новому исследованию, такую скорость им может придавать весьма необычное явление - мощное направленное нейтринное циклотронное излучение.

Вчера, 13:26
Михаил Орлов

Рядом с местом добычи медных руд в пустыне Атакама, расположенной на территории Чили, образовался очень большой круглый провал. Его диаметр достигает 32 метров, а глубина превышает 200 метров. Местные власти расследуют причины случившегося.

Вчера, 14:35
Анна Новиковская

С планированием длительных миссий на Луну и Марс перед человечеством все острее встает вопрос об обеспечении космонавтов кислородом для дыхания. Сейчас поддерживать дыхание людей на борту космических станций — сложный и дорогостоящий процесс, поэтому для будущих путешествий в космической бездне потребуются более совершенные технологии.

2 августа
Александр Березин

Если западным странам удастся «лишить Кремль нефтяных доходов», то мир ждет геополитическое землетрясение. Только не обязательно в ту сторону, о которой вы сейчас подумали. На фоне того, что последует за «лишением», шок 1973 года может показаться детской игрой. Naked Science попробует оценить размах «потолочного катаклизма» заранее.

31 июля
Александр Березин

Саудовский принц одобрил строительство гигантского «лежачего небоскреба», который должен стать крупнейшим зданием в истории. Причем еще и самым экологичным в мире. Пресса и соцсети полны возмущенных оценок: «это антиутопия!», «проект сырой!» и тому подобным. Однако чисто технически это не так: «Зеркальную линию» на пять миллионов жителей вполне можно построить. И такое здание в самом деле будет энергоэффективным (и формально безуглеродным). Но у проекта есть другие слабые места, лежащие скорее в сфере науки, нежели техники. Naked Science попробовал разобраться в деталях.

27 июля
Алиса Гаджиева

Новое исследование показало, что появившаяся у человека способность переваривать молочный сахар никак не сказалась на распространенности потребления продуктов молочного животноводства.

[miniorange_social_login]

Комментарии

3 Комментария

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: