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石墨烯放大器解锁电磁波谱中的隐藏频率
发布时间:2020-03-04 21:36:26 阅读:91

来源:英国拉夫堡大学Peter Warzynski;太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

THz频率中光线击中“夹层”,并反射额外能量。
图片来源:拉夫堡大学

    研究人员近期发明出一种十分独特的装置,它可以解开难以捉摸的太赫兹波,让革命性的新技术成为可能。

    太赫兹波(THz)位于微波和红外光谱之间,但由于它们的能量较低,科学家们一直无法利用它们的潜力。这个难题在科学界被称为“太赫兹空白”。

    能够探测并放大THz波(T射线)将开启一个医学、通信、卫星、宇宙和其他技术的新时代。对于THz波的一个主要应用,就是将其作为一种安全的、非破坏性的x射线的替代品。然而,直到现在,因为其波长范围在3毫米到30μm,从目前存在的光源来看,其信号相对较弱,事实证明还不可能使用。

    一组物理学家利用石墨烯和高温超导体创造出一种新型的光学晶体管——实用THz放大器。这一看似简单的放大器背后,其物理原理就依赖于石墨烯的特性:石墨烯是透明的,对光不敏感,其电子没有质量。THz放大器由两层石墨烯和一层超导体组成,超导体像“三明治”一样将无质量的石墨烯电子夹在中间。

    之后,将该设备连接到电源上。当THz辐射到达石墨烯外层时,内部被捕获的粒子会附着在发出的波上,从而放大了它们。拉夫堡大学物理系的Fedor Kusmartsev教授说:“当THz光照射到这个‘三明治’上时,它就像一面镜子一样被反射回来。”

石墨烯放大器
图片来源:拉夫堡大学

    “重要的一点是,设备反射回来的光比照射到设备上的光还要多。”能够做到这一点的原因是,外部能量是由电池提供,或者由电磁波谱中其他更高频率的光照射表面来提供。THz光子被石墨烯转化为无质量的电子,而无质量的电子又被转化为反射的、充满能量的THz光子。由于这种转换,THz光子从石墨烯或电池中获取能量,微弱的THz信号就被放大了。

    这项突破已经发表在了最新一期的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。该团队正在继续开发该设备,并希望能尽快制造出原型机以便进行测试。Kusmartsev教授表示,他们希望能在大约一年内研制出可用于商业化的放大设备。他补充说,这样的设备将极大地改善目前的技术,并允许科学家揭示更多关于人类大脑的信息。

    “宇宙中充满了太赫兹辐射和信号,事实上,所有的生物有机体都会吸收和发射太赫兹辐射。我期望如果人类拥有这样一个放大器,我们将能够发现更多自然的奥秘,比如,化学反应和生物过程是如何进行的,或者我们的大脑是如何运作的,我们是如何思考的。微波、红外线、可见光、x射线和其他带宽对无数的科技进步已经起到了至关重要的作用,太赫兹频率则是人类最后一个有待开发利用的辐射频率。

    “它的特性将极大地改善成像、光谱、断层扫描、医学诊断、健康监测、环境控制以及化学和生物鉴定等众多科学领域。”

    “我们开发的设备将允许科学家和工程师利用这种虚幻的带宽,创造出下一代的医疗设备、检测硬件以及无线通信技术。”

 
 

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