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研究人员设计电子可调石墨烯器件用于研究稀有物理
发布时间:2022-04-18 21:08:25 阅读:198

来源:曼彻斯特大学;太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

由英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所(NGI)和美国宾夕法尼亚州立大学工程学院的研究人员共同领导的国际研究团队已经开发出一种可调性石墨烯平台,通过对太赫兹(THz)光谱中光与物质之间相互作用的精细控制,可揭示被称为异常点的稀有现象。这一成功将有助于推进高速通信网络超5G无线技术的发展。
来源:Pietro Steiner,曼彻斯特大学

    由英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所(NGI)和美国宾夕法尼亚州立大学工程学院的研究人员共同领导的国际研究团队已经开发出一种可调性石墨烯平台,通过对太赫兹(THz)光谱中光与物质之间相互作用的精细控制,可揭示被称为异常点的稀有现象。该团队今天在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。

    研究人员称,这项工作将会推动光电技术的发展,从而可以更好地产生、控制和感知光及其潜在的通信能力。同时,他们还展示了一种控制太赫兹波(即频率介于微波和红外线之间)的方法。这一成功将有助于推进高速通信网络超5G无线技术的发展。

    弱相互作用和强相互作用

    光和物质可以耦合,并在不同的层次上相互作用:如果相互作用弱,它们可能相互关联,但不会改变彼此的成分;如果相互作用强,则可能从根本上改变系统。如何去控制耦合,使其能从弱到强,再从强到弱,如何具备这种能力一直都是光电器件发展的一个重大挑战,这次,研究人员已然解决了这一难题。

    “我们展示了一种新的光电器件,它利用了拓扑学的概念——这一研究几何对象性质的数学分支”,曼彻斯特大学研究2D器件材料的教授Coskun Kocabas说到。“利用特殊点的奇异性,我们展示了拓扑概念可以用来设计光电器件,从而可以实现控制太赫兹光的新方法。”Kocabas教授同时也任职于总部位于曼彻斯特的亨利•罗伊斯先进材料研究所(Henry Royce Institute for Advanced Materials)。

    异常点是开放系统中任意两个光谱值合并的光谱奇点。美国宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学副教授、该论文的联合通讯作者Şahin K.Özdemir表示,毫不奇怪,它们异常敏感,对系统中哪怕是最小的变化都会做出反应,这显示出奇怪但令人满意的特征。

    “在一个特殊的时刻,系统的能量景观被大幅修改,导致维数降低和拓扑结构扭曲,”同时就职于宾夕法尼亚州立大学材料研究所的Özdemir表示,“这反过来也增强了系统对扰动的响应,改变了局部态密度,从而提高了自发辐射率,导致大量现象的产生。通过对异常点及其物理过程的控制,我们可应用在性能更好的传感器、成像、激光等领域.”

    平台组成

    该研究小组所开发的平台包括一个基于石墨烯的可调谐太赫兹谐振器,它带有一个金箔栅电极,形成一个底部反射镜。在其上方,石墨烯层以电极为末端,形成一个可调谐的顶部反射镜。非挥发性离子液体电解质层位于反射镜之间,通过改变施加的电压,可以控制顶部反射镜的反射率。在装置的中间,镜子之间是α-乳糖分子——一种常见于牛奶中的糖分子。

    该系统由两个调节器控制。一个调节器升高底部的反射镜,从而改变谐振腔的长度,进而调整谐振频率,将光与有机糖分子的集体振动模式耦合,为系统提供固定数量的振荡器。另一个调节器则改变施加在顶部石墨烯反射镜上的电压,从而改变石墨烯的反射特性,以转换能量损失不平衡,从而调整耦合强度。这种微妙的微调将太赫兹光和有机分子的弱耦合转变为强耦合,反之亦然。

    “特殊点与太赫兹光与集体分子振动的弱耦合和强耦合区域之间的交叉点重合,”Özdemir解释到。

    他同时也指出,这些奇点通常是在类似模式或系统的耦合中可以研究和观察到,例如两个光学模式、电子模式或声学模式。

    Kocabas 还补充说:“这项工作是罕见的案例之一,在这两种不同物理起源的模式耦合中,会出现异常点。由于特殊点的拓扑结构,我们观察到太赫兹光的幅度和相位发生了显著的调制变化,这可能会在下一代太赫兹通信中得到应用。”

    太赫兹光谱中前所未有的相位调制

    当研究人员采用电压并调整共振时,他们便将系统驱动到一个异常点,甚至更远。在异常点之上和之后,系统的几何特性——即其拓扑结构——都会发生变化。

    其中一个变化是相位调制,它描述了波在太赫兹场中传播和相互作用时的变化。研究人员说,控制太赫兹波的相位和振幅是一项技术挑战,但他们的平台显示出前所未有的相位调制水平。研究人员可以通过异常点来移动系统,并沿着异常点周围不同方向的环路来移动系统,同时还可以测量系统如何通过变化做出反应。根据测量点所处系统的拓扑结构,相位调制的范围可以是0到4个量级。

    该论文的第一作者M.said Ergoktas补充到:“我们可以通过一个特殊的点对设备进行电气控制,从而实现对反射拓扑的电气控制。只有通过电子控制系统的拓扑结构,我们才能实现这些巨大的调制。”

    研究人员表示,基于石墨烯平台来实现的光与物质相互作用在特殊点周围的拓扑控制,这一发现从拓扑光电子、量子器件到物理和化学过程的拓扑控制,都具有潜在的应用前景。

 
 

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