Lavorare nella gamma dei terahertz (THz) offre opportunità uniche in varie applicazioni, tra cui imaging biomedico, telecomunicazioni e sistemi di rilevamento avanzati. Tuttavia, a causa delle proprietà uniche delle onde elettromagnetiche nell’intervallo da 0,1 a 10 THz, si è rivelato difficile sviluppare componenti ad alte prestazioni che mostrassero il vero potenziale della tecnologia THz. Anche la progettazione di elementi basilari ed essenziali come filtri e assorbitori rimane una sfida notevole.
Fortunatamente, l’aumento dei metamateriali potrebbe portare a modi innovativi per risolvere questi problemi. Grazie ai progressi nelle tecnologie di produzione e lavorazione, è ora possibile creare microstrutture con motivi bidimensionali (2D) con proprietà elettromagnetiche uniche nella gamma THz, fornendo un controllo senza precedenti sui segnali a queste frequenze.
Sebbene siano stati proposti vari assorbitori di metamateriali (o "metasuperficie") 2D, la maggior parte di essi soffre ancora di gravi limitazioni. Un problema comune è che una volta determinato e prodotto il modello strutturale di un assorbitore di metasuperficie, le sue prestazioni elettromagnetiche diventano fisse. Questa mancanza di sintonizzazione limita le possibili applicazioni di tali dispositivi.
D'altra parte, sebbene esistano assorbitori di metasuperficie regolabili a base metallica, l'uso di strati metallici sottili è scoraggiato. Ciò è dovuto a diversi inconvenienti, come la difficoltà nel produrre le strutture necessarie e le prestazioni poco brillanti causate dalle caratteristiche intrinseche dei metalli.
In questo contesto, un gruppo di ricerca cinese ha ora sviluppato un nuovo assorbitore di metasuperficie sintonizzabile a base di carbonio con una larghezza di banda ultraampia e sintonizzabile nella gamma THz. Il loro studio, diretto dal dottor Wenhan Cao della ShanghaiTech University, è stato pubblicato su Advanced Photonics Nexus .
L'assorbitore proposto è incentrato sull'uso di microstrutture di grafene e grafite come risonatori e di uno strato di grafite come superficie retroriflettente. "La subunità ripetitiva, o 'cella unitaria', in questo assorbitore della metasuperficie THz è stata progettata strategicamente per ottimizzare l'efficienza di assorbimento basandosi principalmente su quattro fattori:geometria, proprietà del materiale, sensibilità alla polarizzazione e meccanismi di sintonizzazione", spiega Cao.
In termini di geometria, l'assorbitore è composto da tre strati sottili. Lo strato superiore è uno strato conduttivo modellato contenente una disposizione di anelli concentrici di grafite interconnessi da fili di grafene, mentre il secondo è un semplice dielettrico che aiuta a dissipare le onde elettromagnetiche indesiderate. Infine, il terzo strato è uno strato di assorbimento che impedisce alle onde THz di trasmettersi attraverso il dispositivo, massimizzando così l'efficienza di assorbimento.
Sia la selezione dei materiali che il design geometrico dell'assorbitore, ottimizzato attraverso analisi numeriche e simulazioni, contribuiscono al suo notevole assorbimento nella gamma THz. In particolare, una caratteristica chiave dell'assorbitore proposto è la sua sintonizzabilità, che deriva da un livello di Fermi regolabile. Questo parametro è essenziale nella tecnologia dei materiali e dei semiconduttori poiché determina la distribuzione degli elettroni a diversi livelli di energia.
Applicando una tensione allo strato di grafene, è possibile modificare il suo livello di Fermi, che a sua volta consente di ottimizzare facilmente la larghezza di banda di assorbimento.
"A un livello Fermi di 1 eV, l'assorbitore proposto può raggiungere una larghezza di banda straordinariamente ampia di 8,99 THz, offrendo oltre il 90% di assorbimento nell'intervallo di frequenza da 7,24 a 16,23 THz, con due picchi di risonanza distinti a 8,35 THz e 14,70 THz," ha aggiunto Cao.
Un altro notevole vantaggio del progetto proposto è la sua notevole insensibilità all'angolo di polarizzazione della radiazione incidente. Questa proprietà vantaggiosa deriva naturalmente dall'uso di anelli concentrici nella cella unitaria dell'assorbitore. Il cerchio, come forma perfettamente simmetrica, consente all'assorbitore di mantenere un elevato tasso di assorbimento con angoli incidenti fino a 50°.
Nel complesso, i numerosi vantaggi del design proposto, combinati con la sua elegante semplicità, rappresentano una vera svolta nella tecnologia THz.
"L'assorbitore proposto fornisce una struttura ultrasottile e semplice priva di metalli con una larghezza di banda di assorbimento ampia e regolabile a basso spessore, che ne migliora notevolmente l'applicabilità. Questi vantaggi vanno oltre quelli di altri assorbitori segnalati", ha affermato Cao.
Ben presto, i dispositivi THz potrebbero diventare parte della tecnologia di tutti i giorni, soprattutto in campi come la medicina e le comunicazioni, nonché in attività più orientate alla ricerca come la scienza dei materiali e la biologia.
Ulteriori informazioni: Aiqiang Nie e altri, Assorbitore di metasuperficie terahertz sintonizzabile a banda ultralarga a base di carbonio, Advanced Photonics Nexus (2024). DOI:10.1117/1.APN.3.1.016007
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