Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Ученые разрабатывают электрически настраиваемые графеновые устройства для изучения редкой физики

Международная команда под руководством исследователей из Национального института графена (NGI) Манчестерского университета в Великобритании и Инженерного колледжа штата Пенсильвания в США разработала настраиваемую платформу на основе графена, которая позволяет точно контролировать взаимодействие. между светом и веществом в терагерцовом (ТГц) спектре, чтобы выявить редкие явления, известные как исключительные точки. Команда опубликовала свои результаты сегодня в журнале Science.

По словам исследователей, эта работа может способствовать развитию оптоэлектронных технологий, чтобы лучше генерировать, контролировать и воспринимать свет и, возможно, связь. Они продемонстрировали способ управления терагерцовыми волнами, которые существуют на частотах между микроволнами и инфракрасными волнами. Этот подвиг может способствовать развитию беспроводной технологии «выше 5G» для высокоскоростных сетей связи.

Слабые и сильные взаимодействия

Свет и материя могут соединяться, взаимодействуя на разных уровнях: слабо, когда они могут коррелировать, но не меняют составляющих друг друга; или сильно, когда их взаимодействие может коренным образом изменить систему. Возможность контролировать, как связь меняется от слабой к сильной и обратно, была серьезной проблемой для продвижения оптоэлектронных устройств, и исследователи решили эту проблему.

«Мы продемонстрировали новый класс оптоэлектронных устройств с использованием концепций топологии — раздела математики, изучающего свойства геометрических объектов», — сказал соавтор Коскун Кокабас, профессор материалов для двумерных устройств в Манчестерском университете. «Используя исключительные точечные сингулярности, мы показываем, что топологические концепции можно использовать для разработки оптоэлектронных устройств , которые открывают новые способы управления терагерцовым светом».

Кокабас также связан с Институтом перспективных материалов Генри Ройса со штаб-квартирой в Манчестере.

Исключительные точки — это спектральные сингулярности — точки, в которых сливаются любые два спектральных значения в открытой системе. Неудивительно, что они исключительно чувствительны и реагируют даже на малейшие изменения в системе, обнаруживая любопытные, но желательные характеристики, по словам соавтора Шахина К. Оздемира, доцента инженерных наук и механики в Пенсильванском университете.

«В исключительный момент энергетический ландшафт системы значительно изменяется, что приводит к уменьшению размерности и искажению топологии», — сказал Оздемир, который также работает в Институте исследования материалов штата Пенсильвания. «Это, в свою очередь, усиливает реакцию системы на возмущения, модифицирует локальную плотность состояний, что приводит к увеличению скоростей спонтанного излучения и приводит к множеству явлений. Управление исключительными точками и физическими процессами , происходящими в них, может привести к приложениям для более совершенных датчиков, изображений, лазеров и многого другого».

Состав платформы

Платформа, разработанная исследователями, состоит из перестраиваемого терагерцового резонатора на основе графена с затворным электродом из золотой фольги, образующим нижнее отражающее зеркало. Над ним слой графена заканчивается электродами, образуя перестраиваемое верхнее зеркало. Слой энергонезависимого электролита с ионной жидкостью расположен между зеркалами, что позволяет контролировать отражательную способность верхнего зеркала путем изменения приложенного напряжения . В середине устройства, между зеркалами, находятся молекулы альфа-лактозы, сахара, обычно содержащегося в молоке.

Система управляется двумя регуляторами. Один поднимает нижнее зеркало, чтобы изменить длину полости, настраивая частоту резонанса, чтобы соединить свет с коллективными колебательными модами молекул органического сахара, которые служат фиксированным числом осцилляторов для системы. Другой регулятор изменяет напряжение, подаваемое на верхнее графеновое зеркало, изменяя отражательные свойства графена, чтобы преобразовать дисбаланс потерь энергии для регулировки силы связи. Тонкая, тонкая настройка сдвигает слабосвязанные терагерцовый свет и органические молекулы, чтобы они стали сильно связанными, и наоборот.

«Исключительные точки совпадают с точкой пересечения между режимами слабой и сильной связи терагерцового света с коллективными молекулярными колебаниями», — сказал Оздемир.

Он отметил, что эти точки сингулярности обычно изучаются и наблюдаются при соединении аналогичных мод или систем, таких как две оптические моды, электронные моды или акустические моды.

«Эта работа — один из редких случаев, когда продемонстрировано появление исключительных точек в соединении двух мод с разным физическим происхождением», — сказал Кокабас. «Из-за топологии исключительных точек мы наблюдали значительную модуляцию амплитуды и фазы терагерцового света, которая может найти применение в терагерцовой связи следующего поколения».

Беспрецедентная фазовая модуляция в терагерцовом спектре

Когда исследователи применяют напряжение и регулируют резонанс, они доводят систему до исключительной точки и даже выше. До, в и за пределами исключительной точки изменяются геометрические свойства — топология — системы.

Одним из таких изменений является фазовая модуляция, которая описывает, как изменяется волна по мере ее распространения и взаимодействия в терагерцовом поле. По словам исследователей, управление фазой и амплитудой терагерцовых волн является технологической задачей, но их платформа демонстрирует беспрецедентный уровень фазовой модуляции. Исследователи перемещали систему через исключительные точки, а также по петлям вокруг исключительных точек в разных направлениях и измеряли, как она реагировала на изменения. В зависимости от топологии системы в точке измерения фазовая модуляция может варьироваться от нуля до четырех величин.

«Мы можем электрически управлять устройством через исключительную точку, что позволяет осуществлять электрическое управление топологией отражения», — сказал первый автор М. Саид Эргоктас. «Только контролируя топологию системы электронным способом, мы можем добиться таких огромных модуляций».

По словам исследователей, топологический контроль взаимодействия света и материи вокруг исключительной точки, обеспечиваемый платформой на основе графена, имеет потенциальные применения, начиная от топологических оптоэлектронных и квантовых устройств и заканчивая топологическим контролем физических и химических процессов.

Исследователи разрабатывают электрически настраиваемые графеновые устройства для изучения редкой физики

Теги: графен

В тренде