Illustrazione. Fotorisposta nel grafene. Credito:Lion_on_helium, MIPT
I fisici del MIPT e i loro colleghi britannici e russi hanno rivelato i meccanismi che portano alla fotocorrente nel grafene sotto radiazioni terahertz. Il documento pubblicato su Lettere di fisica applicata conclude un lungo dibattito sulle origini della corrente continua nel grafene illuminato da radiazioni ad alta frequenza, e pone anche le basi per lo sviluppo di rivelatori terahertz ad alta sensibilità. Tali rilevatori hanno applicazioni nella diagnostica medica, comunicazioni wireless e sistemi di sicurezza.
Nel 2005, Gli alunni del MIPT Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno studiato sperimentalmente il comportamento degli elettroni nel grafene, un reticolo piatto a nido d'ape di atomi di carbonio. Hanno scoperto che gli elettroni nel grafene rispondono alla radiazione elettromagnetica con un'energia quantistica, mentre i comuni semiconduttori hanno una soglia energetica al di sotto della quale il materiale non risponde affatto alla luce. Però, la direzione del movimento degli elettroni nel grafene esposto alle radiazioni è rimasta a lungo un punto controverso, poiché ci sono molti fattori che lo spingono in direzioni diverse. La controversia è stata particolarmente aspra nel caso della fotocorrente causata dalla radiazione terahertz.
La radiazione terahertz ha un insieme unico di proprietà. Per esempio, passa facilmente attraverso molti dielettrici senza ionizzarli:questo è di particolare valore per la diagnostica medica o per i sistemi di sicurezza. Una telecamera terahertz può rilevare le armi nascoste sotto i vestiti di una persona, e uno scanner medico può rivelare malattie della pelle nelle fasi iniziali rilevando le righe spettrali ("impronte digitali") di caratteristiche biomolecole nell'intervallo dei terahertz. Finalmente, l'aumento della frequenza portante dei dispositivi Wi-Fi da diversi a centinaia di gigahertz (nell'intervallo inferiore ai terahertz) aumenterà proporzionalmente la larghezza di banda. Ma tutte queste applicazioni richiedono un sensibile, rilevatore di terahertz a basso rumore di facile fabbricazione.
Figura 1. Schema elettrico di un rilevatore di terahertz a base di grafene:la radiazione di terahertz colpisce l'antenna collegata ai terminali sinistro (sorgente) e superiore (gate) di un transistor. Questo genera fotocorrente continua (o una tensione costante, a seconda della configurazione della misurazione) tra i terminali sinistro e destro, che è una misura dell'intensità della radiazione. Credito:Lion_on_helium, MIPT
Un rilevatore di terahertz progettato dai ricercatori del MIPT, MSPU e l'Università di Manchester è un foglio di grafene (di colore verde nelle figure uno e due) inserito tra strati dielettrici di nitruro di boro e accoppiato elettricamente a un'antenna terahertz, una spirale metallica di circa un millimetro. Quando la radiazione colpisce l'antenna, fa oscillare gli elettroni su un lato del foglio di grafene, mentre la corrente continua risultante viene misurata dall'altro lato. È il "packing" del grafene in nitruro di boro che consente caratteristiche elettriche record, dando al rivelatore una sensibilità che è un taglio al di sopra dei progetti precedenti. Però, il risultato principale della ricerca non è uno strumento più performante; è l'intuizione dei fenomeni fisici responsabili della fotocorrente.
Ci sono tre effetti principali che portano al flusso di corrente elettrica nel grafene esposto a radiazioni terahertz. Il primo, l'effetto fototermoelettrico, è dovuto alla differenza di temperatura tra il terminale dell'antenna e il terminale di rilevamento. Questo invia elettroni dal terminale caldo a quello freddo, come l'aria che sale da un calorifero caldo fino al soffitto freddo. Il secondo effetto è la rettifica della corrente ai terminali. Si scopre che i bordi del grafene lasciano passare solo il segnale ad alta frequenza di una certa polarità. Il terzo e più interessante effetto è chiamato rettifica dell'onda di plasma. Possiamo pensare al terminale dell'antenna come a suscitare "onde nel mare elettronico" della striscia di grafene, mentre il terminale di rilevamento registra la corrente media associata a queste onde.
"I precedenti tentativi di spiegare la fotocorrente in tali rivelatori utilizzavano solo uno di questi meccanismi ed escludevano tutti gli altri, " dice Dmitry Svintsov del MIPT. "In realtà, tutti e tre sono in gioco, e il nostro studio ha scoperto quale effetto domina in quali condizioni. Gli effetti termoelettrici dominano alle basse temperature, mentre la rettifica plasmonica prevale alle alte temperature e negli strumenti a canale più lungo. E la cosa principale è che abbiamo capito come creare un rivelatore in cui i diversi meccanismi di fotorisposta non si cancelleranno a vicenda, ma piuttosto rafforzarsi a vicenda."
Figura 2. L'area operativa del rilevatore di terahertz:la striscia verde è il grafene, tracce d'oro portano all'antenna e un amperometro di rilevamento. La striscia bianca è lunga 6 micron. Credito:Lion_on_helium, MIPT
Questi esperimenti contribuiranno alla migliore progettazione di rilevatori terahertz e allo sviluppo di dispositivi di rilevamento remoto per sostanze pericolose, diagnostica medica sicura, e comunicazioni wireless ad alta velocità.
