Физики из МФТИ совместно с британскими и российскими учеными раскрыли физические механизмы, генерирующие фототок в графене под терагерцевым излучением. Эта работа ставит точку в продолжительном споре о причинах появления постоянного тока под высокочастотным воздействием и открывает путь к созданию высокочувствительных терагерцевых детекторов. Подобные устройства крайне нужны в медицине, беспроводной связи и системах безопасности.
Еще в 2005 году выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов в своих экспериментах показали уникальное поведение электронов в углеродной решетке: графен реагирует на свет любой энергии в отличие от классических полупроводников, имеющих минимальный порог. Однако направление движения электронов под излучением оставалось проблемным вопросом из-за множества противодействующих факторов. Особенно остро это касалось терагерцевого фототока.
Удивительные возможности терагерцового диапазона
Терагерцевое излучение обладает исключительными свойствами: проникает сквозь диэлектрики и не наносит вреда живым тканям. Это ключевое преимущество для неинвазивной диагностики и безопасного сканирования в аэропортах. Терагерцевые камеры обнаружат скрытое оружие, а медицинские сканеры выявят кожные болезни по уникальным спектральным меткам ("отпечаткам пальцев") белков в этом диапазоне. Повышение частот Wi-Fi до суб-терагерцевого диапазона — путь к фантастическим скоростям передачи данных. Все это стало реальнее с созданием недорогих и очень чувствительных детекторов.
Прорывной детектор из МФТИ на основе графена
Инновационный детектор, разработанный коллективом из МФТИ, МПГУ и Университета Манчестера (где и состоялось открытие графена), включает графеновый лист между слоями нитрида бора, подключенный к терагерцевой антенне — крошечной металлической спирали. Облучение антенны "раскачивает" электроны на графене, генерируя постоянный ток для считывания. Инкапсуляция графена в нитрид бора обеспечила рекордную электропроводность. Чувствительность прибора в десять раз превосходит старые модели. Но самое ценное в работе — фундаментальное понимание природы фототока.
Выяснилось действие трех ключевых эффектов:
— Фото-термоэлектрический эффект: Движение электронов от нагретого (антенного) контакта к более холодному (считывающему контакту), похожее на конвекцию воздуха над батареей.
— Выпрямление тока на контактах: Контакты проводят высокочастотный сигнал только при определенной полярности напряжения.
— Плазмонное выпрямление (наиболее интригующее): Антенный контакт создает "волнение" в электронной жидкости графена, а считывающий контакт фиксирует средний выпрямленный ток от этих колебаний.
Ранние модели рассматривали эти механизмы изолированно, но в реальности важны все три! Ученые установили, что термоэлектрические эффекты преобладают при низких температурах, а плазмонное выпрямление — при высоких температурах или в длинных каналах. Теперь стало ясно, как сконструировать детектор, где механизмы работают синергетически, взаимно усиливая отклик.
Результаты этих исследований — ключ к проектированию терагерцевых детекторов нового поколения, ускоряющих внедрение сверхбыстрых Wi-Fi систем, безопасной меддиагностики и технологий удаленного выявления опасных субстанций.
Изображение логотипа с сайта МФТИ
Источник: scientificrussia.ru