Rappresentazione artistica di un interferometro terahertz sensibile alla fase. Credito:Daria Sokol/MIPT
I fisici hanno creato un rilevatore a banda larga di radiazioni terahertz basato sul grafene. Il dispositivo ha un potenziale per applicazioni nei sistemi di comunicazione e trasmissione di informazioni di nuova generazione, sicurezza e attrezzature mediche. Lo studio è uscito in ACS Nano Lettere .
Il nuovo rivelatore si basa sull'interferenza delle onde plasma. L'interferenza in quanto tale è alla base di molte applicazioni tecnologiche e fenomeni quotidiani. Determina il suono degli strumenti musicali e provoca i colori dell'arcobaleno nelle bolle di sapone, insieme a molti altri effetti. L'interferenza delle onde elettromagnetiche è sfruttata da vari dispositivi spettrali utilizzati per determinare la composizione chimica, proprietà fisiche e di altro tipo degli oggetti, compresi quelli molto remoti, come stelle e galassie.
Le onde plasmatiche nei metalli e nei semiconduttori hanno recentemente attirato molta attenzione da parte di ricercatori e ingegneri. Come le onde acustiche più familiari, quelle che si verificano nei plasmi sono essenzialmente onde di densità, pure, ma coinvolgono portatori di carica:elettroni e lacune. La loro variazione locale di densità dà origine a un campo elettrico, che spinge altri portatori di carica mentre si propaga attraverso il materiale. Questo è simile a come il gradiente di pressione di un'onda sonora spinge il gas o le particelle liquide in una regione in continua espansione. Però, le onde di plasma muoiono rapidamente nei conduttori convenzionali.
Detto ciò, i conduttori bidimensionali consentono alle onde di plasma di propagarsi su distanze relativamente grandi senza attenuazione. Diventa quindi possibile osservare la loro interferenza, fornendo molte informazioni sulle proprietà elettroniche del materiale in questione. La plasmonica dei materiali 2-D è emersa come un campo altamente dinamico della fisica della materia condensata.
Negli ultimi 10 anni, gli scienziati hanno fatto molta strada nel rilevare le radiazioni THz con dispositivi a base di grafene. I ricercatori hanno esplorato i meccanismi dell'interazione dell'onda T con il grafene e hanno creato prototipi di rivelatori, le cui caratteristiche sono pari a quelle di dispositivi simili basati su altri materiali.
Figura 1. Il riquadro (a) mostra una vista dall'alto del dispositivo, con la regione sensibile ingrandita in (b). Le etichette S, D, e TG indicano la fonte, drenare, e cancello superiore. Una sezione laterale del rivelatore è mostrata in (c). Ci sono 1, 000 nanometri (nm) in un micrometro (μm). Credito:Daria Sokol/MIPT
Però, gli studi finora non hanno esaminato i dettagli dell'interazione del rivelatore con raggi T distintamente polarizzati. Detto ciò, dispositivi sensibili alla polarizzazione delle onde sarebbero utili in molte applicazioni. Lo studio riportato in questa storia ha dimostrato sperimentalmente come la risposta del rivelatore dipenda dalla polarizzazione della radiazione incidente. I suoi autori hanno anche spiegato perché questo è il caso.
Il coautore dello studio Yakov Matyushkin del MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials ha commentato:"Il rilevatore è costituito da un wafer di silicio di 4 x 4 millimetri di diametro, e un minuscolo pezzo di grafene di dimensioni 2 per 5 millesimi di millimetro. Il grafene è collegato a due piazzole di contatto piatte in oro, la cui forma a papillon rende il rivelatore sensibile alla polarizzazione e alla fase della radiazione incidente. A parte quello, lo strato di grafene incontra anche un altro contatto d'oro nella parte superiore, con uno strato non conduttivo di ossido di alluminio intercalato tra loro."
Nella microelettronica, questa struttura è nota come transistor di campo, con i due contatti laterali solitamente indicati come source e drain. Il contatto superiore è chiamato gate.
La radiazione terahertz è una banda stretta dello spettro elettromagnetico tra le microonde e la luce infrarossa lontana. Dal punto di vista delle applicazioni, una caratteristica importante delle onde T è che passano attraverso i tessuti viventi e subiscono un assorbimento parziale ma non causano ionizzazione e quindi non danneggiano il corpo. Questo distingue le radiazioni THz dai raggi X, Per esempio.
Di conseguenza, le applicazioni tradizionalmente considerate per i raggi T sono la diagnostica medica e lo screening di sicurezza. I rivelatori THz sono utilizzati anche in astronomia. Un'altra applicazione emergente è la trasmissione di dati alle frequenze THz. Ciò significa che il nuovo rilevatore potrebbe essere utile per stabilire gli standard di comunicazione di prossima generazione 5G e 6G.
Figura 2. Una rappresentazione schematica della propagazione dell'onda di plasma nel canale del transistor. Credito:Yakov Matyushkin et al./ACS Nano Letters
"La radiazione terahertz è diretta su un campione sperimentale, ortogonalmente alla sua superficie. Questo genera fototensione nel campione, che può essere rilevato da dispositivi di misurazione esterni tramite i contatti dorati del rilevatore, " ha commentato il coautore dello studio Georgy Fedorov, vice capo del Laboratorio MIPT di materiali nanocarbonici. "Ciò che è cruciale qui è quale sia la natura del segnale rilevato. In realtà può essere diverso, e varia a seconda di una serie di parametri esterni e interni:geometria del campione, frequenza, polarizzazione e potenza delle radiazioni, temperatura, eccetera."
In particolare, il nuovo rivelatore si basa sul tipo di grafene già prodotto industrialmente. Il grafene è disponibile in due tipi:il materiale può essere esfoliato meccanicamente o sintetizzato mediante deposizione chimica da vapore. Il primo tipo ha una qualità superiore, meno difetti e impurità, e detiene il record per la mobilità del vettore di carica, che è una proprietà cruciale per i semiconduttori. Però, è il grafene CVD che l'industria può produrre in modo scalabile già oggi, rendendolo il materiale di scelta per i dispositivi con l'ambizione per la produzione di massa.
Un altro coautore dello studio, Maxim Rybin del MIPT e dell'Istituto di fisica generale Prokhorov dell'Accademia delle scienze russa è il CEO del produttore di grafene Rusgraphene, e ha avuto questo da dire sulla tecnologia:"Il fatto che fosse il grafene CVD in cui abbiamo osservato l'interferenza delle onde di plasma, significa che tali rilevatori di THz a base di grafene sono adatti per la produzione industriale. Per quanto ne sappiamo, questa è la prima osservazione dell'interferenza delle onde plasmatiche nel grafene CVD finora, quindi la nostra ricerca ha ampliato le potenziali applicazioni industriali del materiale."
Il team ha dimostrato che la natura della fotorisposta del nuovo rivelatore ha a che fare con l'interferenza delle onde di plasma nel canale del transistor. La propagazione dell'onda inizia alle due estremità opposte del canale, e la particolare geometria dell'antenna rende il dispositivo sensibile alla polarizzazione e alla fase della radiazione rilevata. Queste caratteristiche significano che il rivelatore potrebbe rivelarsi utile nella costruzione di sistemi di comunicazione e trasmissione di informazioni che operano a frequenze THz e sub-THz.
Lo studio riportato in questa storia è stato scritto da ricercatori del MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials e dai loro colleghi dell'Università pedagogica statale di Mosca, Istituto Ioffe dell'Accademia Russa delle Scienze, e l'Università di Ratisbona, Germania. Questa ricerca è stata supportata dalla Fondazione russa per la ricerca di base e dal Ministero russo della scienza e dell'istruzione superiore.
