Un team internazionale, co-guidato da ricercatori del National Graphene Institute (NGI) dell'Università di Manchester nel Regno Unito e del Penn State College of Engineering negli Stati Uniti, ha sviluppato una piattaforma sintonizzabile basata sul grafene che consente un controllo preciso dell'interazione tra luce e materia nello spettro terahertz (THz) per rivelare fenomeni rari noti come punti eccezionali. Il team ha pubblicato oggi i risultati su Scienza .

Il lavoro potrebbe far avanzare le tecnologie optoelettroniche per generare, controllare e percepire meglio la luce e potenzialmente le comunicazioni, secondo i ricercatori. Hanno dimostrato un modo per controllare le onde THz, che esistono a frequenze comprese tra quelle delle microonde e delle onde infrarosse. L'impresa potrebbe contribuire allo sviluppo della tecnologia wireless "beyond-5G" per le reti di comunicazione ad alta velocità.

Interazioni deboli e forti

Luce e materia possono accoppiarsi, interagendo a diversi livelli:debolmente, dove possono essere correlate ma non mutano reciprocamente costituenti; o fortemente, dove le loro interazioni possono cambiare radicalmente il sistema. La capacità di controllare il modo in cui l'accoppiamento passa da debole a forte e viceversa è stata una sfida importante per l'avanzamento dei dispositivi optoelettronici, una sfida che i ricercatori hanno ora risolto.

"Abbiamo dimostrato una nuova classe di dispositivi optoelettronici utilizzando concetti di topologia, una branca della matematica che studia le proprietà degli oggetti geometrici", ha affermato il co-autore Coskun Kocabas, professore di materiali per dispositivi 2D all'Università di Manchester. "Utilizzando singolarità puntiformi eccezionali, dimostriamo che i concetti topologici possono essere utilizzati per progettare dispositivi optoelettronici che consentono nuovi modi di manipolare la luce terahertz."

Kocabas è anche affiliato con l'Henry Royce Institute for Advanced Materials, con sede a Manchester.

I punti eccezionali sono singolarità spettrali, punti in cui due valori spettrali qualsiasi in un sistema aperto si fondono. Sono, ovviamente, eccezionalmente sensibili e rispondono anche alle più piccole modifiche al sistema, rivelando caratteristiche curiose ma desiderabili, secondo l'autore corrispondente Şahin K. Özdemir, professore associato di ingegneria e meccanica alla Penn State.

"In un punto eccezionale, il panorama energetico del sistema è notevolmente modificato, con conseguente riduzione della dimensionalità e topologia distorta", ha affermato Özdemir, che è anche affiliato al Materials Research Institute, Penn State. "Questo, a sua volta, migliora la risposta del sistema alle perturbazioni, modifica la densità locale degli stati portando al miglioramento dei tassi di emissione spontanea e porta a una pletora di fenomeni. Il controllo di punti eccezionali e i processi fisici che si verificano in essi, potrebbero portare ad applicazioni per sensori, imaging, laser e molto altro ancora migliori."

Composizione della piattaforma

La piattaforma sviluppata dai ricercatori consiste in un risonatore THz sintonizzabile a base di grafene, con un elettrodo gate in lamina d'oro che forma uno specchio riflettente sul fondo. Sopra di esso, uno strato di grafene è chiuso a libro con elettrodi, formando uno specchio superiore sintonizzabile. Uno strato di elettrolita liquido ionico non volatile si trova tra gli specchi, consentendo il controllo della riflettività dello specchio superiore modificando la tensione applicata. Al centro del dispositivo, tra gli specchi, ci sono molecole di alfa lattosio, uno zucchero che si trova comunemente nel latte.

Il sistema è controllato da due regolatori. Si solleva lo specchio inferiore per modificare la lunghezza della cavità, sintonizzando la frequenza di risonanza per accoppiare la luce con i modi vibrazionali collettivi delle molecole di zucchero organico, che fungono da numero fisso di oscillatori per il sistema. L'altro regolatore cambia la tensione applicata allo specchio superiore del grafene, alterando le proprietà riflettenti del grafene per trasferire gli squilibri di perdita di energia per regolare la forza di accoppiamento. La delicata e fine messa a punto sposta la luce terahertz debolmente accoppiata e le molecole organiche per diventare fortemente accoppiate e viceversa.

"I punti eccezionali coincidono con il punto di incrocio tra i regimi di accoppiamento debole e forte della luce terahertz con le vibrazioni molecolari collettive", ha affermato Özdemir.

Ha notato che questi punti di singolarità sono tipicamente studiati e osservati nell'accoppiamento di modi o sistemi analoghi, come due modi ottici, modi elettronici o modi acustici.

"Questo lavoro è uno dei rari casi in cui è stato dimostrato che emergono punti eccezionali nell'accoppiamento di due modalità con origini fisiche diverse", ha detto Kocabas. "A causa della topologia dei punti eccezionali, abbiamo osservato una modulazione significativa nell'ampiezza e nella fase della luce terahertz, che potrebbe trovare applicazioni nelle comunicazioni THz di prossima generazione."

Modulazione di fase senza precedenti nello spettro THz

Quando i ricercatori applicano la tensione e regolano la risonanza, guidano il sistema verso un punto eccezionale e oltre. Prima, in corrispondenza e oltre il punto eccezionale, le proprietà geometriche, la topologia, del sistema cambiano.

Uno di questi cambiamenti è la modulazione di fase, che descrive come un'onda cambia mentre si propaga e interagisce nel campo THz. Il controllo della fase e dell'ampiezza delle onde THz è una sfida tecnologica, hanno affermato i ricercatori, ma la loro piattaforma dimostra livelli di modulazione di fase senza precedenti. I ricercatori hanno spostato il sistema attraverso punti eccezionali, nonché lungo circuiti attorno a punti eccezionali in direzioni diverse, e hanno misurato come ha risposto ai cambiamenti. A seconda della topologia del sistema nel punto di misurazione, la modulazione di fase potrebbe variare da zero a quattro grandezze maggiori.

"Possiamo guidare elettricamente il dispositivo attraverso un punto eccezionale, che consente il controllo elettrico sulla topologia a riflessione", ha affermato il primo autore M. Said Ergoktas. "Solo controllando elettronicamente la topologia del sistema potremmo ottenere queste enormi modulazioni".

Secondo i ricercatori, il controllo topologico delle interazioni luce-materia attorno a un punto eccezionale consentito dalla piattaforma basata sul grafene ha potenziali applicazioni che vanno dai dispositivi optoelettronici e quantistici topologici al controllo topologico dei processi fisici e chimici. + Esplora ulteriormente

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