Figura 1:Rappresentazione grafica del sistema di amplificazione terahertz (THz) proposto con un foglio di grafene e un superconduttore bidimensionale. L'amplificazione è dovuta al comportamento oscillatorio coordinato degli elettroni all'interfaccia tra i due strati, alimentato da una sorgente luminosa o da una batteria, che si traduce in una radiazione THz più forte, come mostrato con la freccia gialla riflessa. Credito:Istituto per le scienze di base
Ricercatori del Centro di Fisica Teorica dei Sistemi Complessi (PCS), all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud) hanno proposto un transistor fatto di grafene e un superconduttore bidimensionale che amplifica i segnali terahertz (THz). Questa ricerca è stata condotta in collaborazione con i colleghi del Micro/Nano Fabrication Laboratory Microsystem e del Terahertz Research Center (Cina), l'Istituto di fisica dei semiconduttori A. V. Rzhanov (Russia), e Loughborough University (Regno Unito) ed è stato pubblicato in Lettere di revisione fisica .
Il crescente interesse per la gamma di frequenze THz può essere facilmente spiegato dalle sue varie potenziali applicazioni. Questa regione dello spettro elettromagnetico, tra onde radio e luce infrarossa, è adatto per immagini ad altissima risoluzione, rilevamento non invasivo del tumore, biosicurezza, telecomunicazioni, e procedure di crittografia-decrittografia, tra gli altri. Però, in pratica, trovare una potente fonte di raggi in questa gamma di frequenze è così impegnativo, che i ricercatori si riferiscono comunemente a questo problema come al "divario terahertz".
In questo lavoro, i ricercatori hanno proposto una nuova strategia per amplificare la radiazione THz da segnali deboli e non uniformi, che sono comuni in, ad esempio, campioni biologici. Il dispositivo è costituito da un foglio di grafene posizionato in prossimità di un superconduttore bidimensionale ed è collegato a una fonte di alimentazione, che fornisce energia sufficiente per eccitare gli elettroni del superconduttore. L'amplificazione del segnale THz è spiegata dal comportamento oscillatorio collettivo degli elettroni in entrambi i due materiali più la capacità quantistica del grafene.
"Questo lavoro dimostra le prospettive orientate all'applicazione dei sistemi caratterizzati esclusivamente da effetti quantistici. L'interazione luce-materia in questi sistemi ibridi non rappresenta solo un interesse fondamentale, ma può diventare una base per dispositivi futuri, come porte logiche terahertz, che sono attualmente molto richiesti, " spiega Ivan Savenko, il leader del team Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) presso PCS IBS.
Figura 2:Illustrazione del meccanismo di amplificazione delle onde THz. Credito:Istituto per le scienze di base
