Un team di ricercatori dalla Russia, Gran Bretagna, Giappone e Italia hanno creato un rilevatore di terahertz a base di grafene. Lo studio è stato pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

Qualsiasi sistema per il trasferimento dati wireless si basa su sorgenti e rilevatori di onde elettromagnetiche, ma non sono disponibili per ogni tipo di onda. Le sorgenti esistenti di radiazioni terahertz, che occupa una via di mezzo tra microonde e luce infrarossa, consumano troppa energia o richiedono un raffreddamento intenso. Eppure le onde T potrebbero potenzialmente consentire Wi-Fi più veloci, nuovi metodi di diagnostica medica, e studi di oggetti spaziali mediante radiotelescopi.

La ragione dell'inefficienza dei rilevatori terahertz esistenti è la mancata corrispondenza tra la dimensione dell'elemento di rilevamento, il transistor - circa un milionesimo di metro - e la tipica lunghezza d'onda della radiazione terahertz, che è circa 100 volte maggiore. Ciò fa sì che l'onda scivoli oltre il rivelatore senza alcuna interazione.

Nel 1996, è stato proposto che per affrontare questo problema, l'energia di un'onda incidente potrebbe essere compressa in un volume paragonabile alle dimensioni del rivelatore. Per questo scopo, il materiale del rivelatore dovrebbe supportare "onde compatte" di tipo speciale, chiamati plasmoni. Rappresentano il moto collettivo degli elettroni di conduzione e il campo elettromagnetico associato, non diversamente dalle onde del mare di superficie che si muovono insieme al vento quando inizia una tempesta. In teoria, l'efficienza di tale rivelatore è ulteriormente aumentata sotto risonanza d'onda.

L'implementazione di un tale rivelatore si è rivelata più difficile del previsto. Nella maggior parte dei materiali semiconduttori, i plasmoni subiscono un rapido smorzamento, cioè muoiono a causa di collisioni di elettroni con impurità. Il grafene era visto come una promettente via d'uscita, ma fino a poco tempo fa non era abbastanza pulito.

Gli autori della ricerca hanno presentato una soluzione per l'annoso problema del rilevamento risonante dell'onda T. Hanno creato un fotorivelatore (figura 1) fatto di grafene a doppio strato incapsulato tra cristalli di nitruro di boro e accoppiato a un'antenna terahertz. In questa struttura a sandwich, le impurità vengono espulse all'esterno del fiocco di grafene, permettendo ai plasmoni di propagarsi liberamente. Il foglio di grafene confinato da conduttori metallici forma un risonatore plasmonico, e la struttura a doppio strato del grafene consente la regolazione della velocità delle onde in un'ampia gamma.

Infatti, il team ha sviluppato uno spettrometro terahertz compatto, dimensioni di diversi micron, con la frequenza di risonanza controllata tramite la regolazione della tensione. I fisici hanno anche mostrato il potenziale del loro rivelatore per la ricerca fondamentale:misurando la corrente nel rivelatore a varie frequenze e densità di elettroni, le proprietà dei plasmoni possono essere rivelate.

"Il nostro dispositivo funge anche da rivelatore sensibile e da spettrometro che opera nell'intervallo dei terahertz, ed è anche uno strumento per studiare i plasmoni nei materiali bidimensionali. Tutte queste cose esistevano prima, ma occupavano un intero tavolo ottico. Abbiamo racchiuso la stessa funzionalità in una dozzina di micrometri, " ha detto il co-autore Dmitry Svintsov, che dirige il Laboratorio di Materiali 2-D per Optoelettronica presso l'Istituto di Fisica di Mosca.