Nello spettro elettromagnetico, La luce terahertz si trova tra la radiazione infrarossa e le microonde. Ha un enorme potenziale per le tecnologie di domani:tra le altre cose, potrebbe avere successo con il 5G consentendo connessioni di comunicazione mobile e reti wireless estremamente veloci. Il collo di bottiglia nel passaggio da frequenze gigahertz a frequenze terahertz è stato causato da sorgenti e convertitori insufficientemente efficienti. Un team di ricerca tedesco-spagnolo con la partecipazione dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha ora sviluppato un sistema di materiali per generare impulsi terahertz in modo molto più efficace di prima. È a base di grafene, cioè., un foglio di carbonio supersottile, rivestito con una struttura metallica lamellare. Il gruppo di ricerca ha presentato i suoi risultati sulla rivista ACS Nano .

Qualche tempo fa, un team di esperti che lavorava sull'acceleratore HZDR ELBE è stato in grado di dimostrare che il grafene può agire come moltiplicatore di frequenza:quando il carbonio bidimensionale viene irradiato con impulsi di luce nella gamma di frequenza di bassi terahertz, questi vengono convertiti in frequenze più alte. Fino ad ora, il problema era che segnali di ingresso estremamente forti, che a sua volta potrebbe essere prodotto solo da un acceleratore di particelle a grandezza naturale, erano necessari per generare tali impulsi terahertz in modo efficiente." Questo è ovviamente poco pratico per future applicazioni tecniche, " spiega l'autore principale dello studio Jan-Christoph Deinert dell'Institute of Radiation Physics presso HZDR. "Quindi, abbiamo cercato un sistema materiale che funzioni anche con un input molto meno violento, cioè., con intensità di campo inferiori."

Per questo scopo, Scienziati dell'HZDR, insieme ai colleghi dell'Istituto catalano di nanoscienze e nanotecnologie (ICN2), l'Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO), l'Università di Bielefeld, TU Berlin e il Max Planck Institute for Polymer Research di Magonza, ha avuto una nuova idea:la conversione di frequenza potrebbe essere migliorata enormemente rivestendo il grafene con minuscole lamelle d'oro, che possiedono una proprietà affascinante:"Agiscono come antenne che amplificano significativamente la radiazione terahertz in arrivo nel grafene, " spiega il coordinatore del progetto Klaas-Jan Tielrooij di ICN2. "Di conseguenza, otteniamo campi molto forti dove il grafene è esposto tra le lamelle. Questo ci consente di generare impulsi terahertz in modo molto efficiente".

Moltiplicazione di frequenza sorprendentemente efficace

Per testare l'idea, i membri del team di ICN2 a Barcellona hanno prodotto campioni:in primo luogo, hanno applicato un singolo strato di grafene a un supporto di vetro. In cima, hanno depositato a vapore uno strato isolante ultrasottile di ossido di alluminio, seguito da un reticolo di strisce d'oro. I campioni sono stati quindi portati all'impianto TELBE terahertz di Dresda-Rossendorf, dove sono stati colpiti da impulsi di luce nella gamma bassa dei terahertz (da 0,3 a 0,7 THz). Durante questo processo, gli esperti hanno utilizzato speciali rilevatori per analizzare l'efficacia con cui il grafene rivestito con lamelle d'oro può moltiplicare la frequenza della radiazione incidente.

"Ha funzionato molto bene, " Sergey Kovalev è felice di riferire. È responsabile della struttura TELBE a HZDR. "Rispetto al grafene non trattato, segnali di ingresso molto più deboli sono sufficienti per produrre un segnale moltiplicato in frequenza." Espresso in numeri, solo un decimo dell'intensità di campo originariamente richiesta era sufficiente per osservare la moltiplicazione della frequenza. E a basse intensità di campo tecnologicamente rilevanti, la potenza degli impulsi terahertz convertiti è più di mille volte più forte grazie al nuovo sistema di materiali. Più larghe sono le singole lamelle e più piccole sono le aree di grafene che rimangono esposte, quanto più pronunciato è il fenomeno. Inizialmente, gli esperti sono riusciti a triplicare le frequenze in ingresso. Dopo, hanno ottenuto effetti ancora più grandi:cinque volte, sette volte, e anche nove volte aumenta la frequenza di ingresso.

Compatibile con la tecnologia dei chip

Questo offre una prospettiva molto interessante, perché fino ad ora, gli scienziati hanno avuto bisogno di grandi dispositivi complessi come acceleratori o laser di grandi dimensioni per generare onde terahertz. Grazie al nuovo materiale, potrebbe anche essere possibile ottenere il salto da gigahertz a terahertz esclusivamente con segnali di ingresso elettrici, cioè., con molto meno sforzo. "Il nostro metamateriale a base di grafene sarebbe abbastanza compatibile con l'attuale tecnologia dei semiconduttori, " Deinert sottolinea. "In linea di principio, potrebbe essere integrato in normali chip." Lui e il suo team hanno dimostrato la fattibilità del nuovo processo, ora potrebbe diventare possibile l'implementazione in assiemi specifici.

Le potenziali applicazioni potrebbero essere vaste:poiché le onde terahertz hanno frequenze più elevate rispetto alle frequenze delle comunicazioni mobili gigahertz utilizzate oggi, potrebbero essere utilizzati per trasmettere una quantità significativamente maggiore di dati wireless:il 5G diventerebbe 6G. Ma la gamma di terahertz è interessante anche per altri campi:dal controllo di qualità nell'industria e dagli scanner di sicurezza negli aeroporti a un'ampia varietà di applicazioni scientifiche nella ricerca sui materiali, Per esempio.