Un assorbitore perfetto metamateriale (MPA) è tipicamente costituito da un metallo periodico a lunghezza d'onda inferiore (ad esempio, superassorbente plasmonico) o da unità risonanti dielettriche. Rispetto ai sistemi fisici passivi statici, i metamateriali sintonizzabili possono manipolare dinamicamente le onde elettromagnetiche, migliorando il controllo multidimensionale della risposta ottica. Esistono due strategie tipiche per ottenere proprietà sintonizzabili nei metamateriali:ricostruzione meccanica e modifica delle strutture reticolari dei metamateriali.

In contrasto con questi metodi classici, la combinazione di materiali funzionali e struttura metamateriale offre un modo per modificare le proprietà ottiche dei materiali attraverso stimoli esterni e ha un tasso di risposta più rapido. Essendo un tipico materiale funzionale sintonizzabile, il grafene ha eccellenti caratteristiche meccaniche, elettriche e ottiche. L'incorporazione del grafene nelle strutture metamateriali può migliorare significativamente le interazioni luce-materia.

In questo senso, il gruppo del professor Weiping Wu ha dimostrato un nuovo assorbitore terahertz sintonizzabile a banda ultralarga che utilizza le proprietà uniche del grafene e dei metamateriali plasmonici strutturati gerarchicamente. Il documento di ricerca del team è pubblicato sulla rivista Advanced Devices &Instrumentation .

La struttura metamateriale comprende barre/quadrati d'oro a forma di T alternati, uno strato dielettrico e uno strato di grafene su uno strato d'oro. L'assorbimento medio dell'MPA ha raggiunto il 90% su una gamma di frequenze ultra ampia che va da 20,8 THz a 39,7 THz. L'origine dei caratteri a banda larga viene analizzata attraverso diagrammi di campo elettrico e viene studiata la modulazione della finestra di assorbimento da parte del grafene. Inoltre, vengono studiate le influenze di diversi parametri sui risultati e la ricerca discute la potenziale applicazione di questa struttura nel campo dell'optoelettronica.

Infine, alcuni assorbitori a banda larga recentemente segnalati nella banda THz-infrarosso lontano vengono confrontati e analizzati con i risultati del presente lavoro. L'assorbitore metamateriale a banda larga proposto ha un assorbimento medio più elevato e una gamma di frequenze più ampia. La struttura proposta ha un solo strato di oro modellato, che presenta grandi vantaggi rispetto ad altra letteratura in termini di fabbricazione.

In conclusione, viene proposto e studiato un nuovo assorbitore terahertz sintonizzabile a banda ultralarga di grafene e metamateriali plasmonici gerarchicamente strutturati e viene studiato numericamente un assorbimento a banda ultralarga quasi perfetto da 20,8 THz a 39,7 THz. L'assorbitore proposto viene realizzato disponendo alternativamente due strutture d'oro di diverse dimensioni in ciascuna cella unitaria. La larghezza di banda che supera il 90% di assorbimento degli assorbitori a banda larga è di circa 18,9 THz.

Regolando il livello energetico di Fermi del grafene, è possibile sintonizzare la posizione della banda ultralarga. Inoltre, gli effetti dei parametri geometrici sugli spettri di assorbimento dell'assorbitore vengono analizzati quantitativamente. Questi risultati implicano che l'assorbitore di metamateriali proposto in questo lavoro può portare a ulteriori miglioramenti nel campo del filtraggio sintonizzabile, dei rilevatori, della radiazione termica controllata e di altri dispositivi fotonici.