Spettri di assorbimento/amplificazione misurati della risposta del dispositivo alla radiazione dell'onda di impulso terahertz. L'impulso dell'onda terahertz è stato emesso mentre aumentava la tensione di drain del prototipo di transistor al grafene. Caratteristiche di assorbimento (spettro di frequenza) del transistor al grafene, in relazione all'onda di impulso incidente, sono stati ottenuti dalla forma d'onda di risposta temporale dell'onda di impulso trasmessa. Quando la tensione di drain è al di sopra di un certo valore di soglia, è stata ottenuta una caratteristica di amplificazione (un assorbimento negativo) con il massimo guadagno di 0,09 (9%). Credito:Università di Tohoku
Il professor Taiichi Otsuji dell'Università di Tohoku ha guidato un team di ricercatori internazionali nel dimostrare con successo un'amplificazione coerente a temperatura ambiente della radiazione terahertz (THz) nel grafene, alimentato elettricamente da una batteria a secco.
Circa 40 anni fa, l'arrivo dell'elettronica a onde al plasma ha aperto una serie di nuove opportunità. Gli scienziati erano affascinati dalla possibilità che le onde di plasma potessero propagarsi più velocemente degli elettroni, suggerendo che i cosiddetti dispositivi "plasmonici" potrebbero funzionare a frequenze THz. Però, i tentativi sperimentali di realizzare tali amplificatori o emettitori rimasero elusi.
"Il nostro studio ha esplorato l'accoppiamento luce-plasmone THz, assorbimento della luce, e amplificazione utilizzando un sistema a base di grafene a causa delle sue eccellenti proprietà elettriche e ottiche a temperatura ambiente, ", ha affermato il professor Otsuji, che ha sede presso il Laboratorio di elaborazione del segnale a banda ultra larga presso il Research Institute of Electrical Communication (RIEC) dell'Università di Tohoku.
Il gruppo di ricerca, che consisteva di membri giapponesi, Francese, istituzioni polacche e russe, progettato una serie di strutture di transistor a canale di grafene monostrato. Questi erano caratterizzati da un originale dual-gathering gate che funzionava come un'antenna altamente efficiente per accoppiare le radiazioni THz e i plasmoni di grafene.
Un'immagine vista dall'alto al microscopio elettronico a scansione di una struttura di transistor di grafene fabbricata in fase di misurazione. Presenta l'esclusiva struttura dell'elettrodo a transistor chiamata "gate a doppia griglia, " dove vengono preparati e disposti in modo interdigitato due serie di elettrodi di gate che hanno una forma a reticolo simile a un pettine. Credito:Tohoku University
L'utilizzo di questi dispositivi ha permesso ai ricercatori di dimostrare un assorbimento plasmonico risonante sintonizzabile che, con un aumento della corrente, provoca l'amplificazione della radiazione THz. Il guadagno di amplificazione fino al 9% è stato osservato nel grafene monostrato, ben oltre il noto livello di riferimento del 2,3% che è il massimo disponibile quando i fotoni interagiscono direttamente con gli elettroni senza eccitazione dei plasmoni di grafene.
Per interpretare i risultati, il team di ricerca ha utilizzato un modello di cristallo plasmonico dissipativo, catturare le principali tendenze e la fisica di base dei fenomeni di amplificazione. Nello specifico, il modello prevede l'aumento della corrente continua del canale che porta il sistema in un regime di amplificazione. Ciò indica che le onde di plasma possono trasferire l'energia continua nelle onde elettromagnetiche THz in arrivo in modo coerente.
"Poiché tutti i risultati sono stati ottenuti a temperatura ambiente, i nostri risultati sperimentali aprono la strada verso un'ulteriore tecnologia plasmonica THz con una nuova generazione di dispositivi completamente elettronici, risonante, e amplificatori THz controllati in tensione, " ha aggiunto il professor Otsuji.
