Все новости

Намагниченный графен аномально поглощает свет

Благодаря этому открытию можно будет создавать миниатюрные устройства связи, надеются физики

ТАСС, 7 февраля. Физики обнаружили, что намагниченный графен аномально сильно поглощает свет, и выяснили, почему это происходит. Полученные данные помогут в разработке новых миниатюрных приемников сигналов связи, пишет пресс-служба МФТИ. Описание исследования опубликовал научный журнал Nature Physics.

"Ученые из МФТИ, университета Регенсбурга (Германия), Массачусетского технологического института и университета Канзаса (США) обнаружили аномально сильное поглощение света в намагниченном графене. Эффект возникает из-за превращения обычных электромагнитных волн в сверхмедленные поверхностные волны, бегущие по графену. Явление может помочь в разработке новых приемников сигналов связи, размеры которых будут гораздо меньше существующих при схожей эффективности поглощения", - говорится в сообщении.

Эффективность сбора световой энергии пропорциональна площади поглотителя. Однако предмет может поглощать излучение с площади, большей, чем он сам. Это возможно, когда частота света находится в резонансе с движением электронов в поглотителе. При этом площадь захвата излучения оказывается порядка квадрата длины световой волны, хотя сам поглотитель может быть чрезвычайно малым. Явления резонансного поглощения света, как отметили в МФТИ, активно используются для приема электромагнитных волн, и наиболее практичным резонансным приемником является антенна.

Однако чувствительная металлическая антенна должна быть сравнимой по размеру с длиной волны, а если она будет меньше, то уже заметно теряет в чувствительности. Например, для мобильной передачи данных по протоколу 6G предлагается использовать частоту в 0,1 терагерц. Для этого понадобятся антенны с размером около 3 мм, что требует большой и дорогостоящей площади на чипе смартфона. В связи с этим исследователи ищут возможности создания сверхкомпактных и резонансных поглотителей излучения.

Застывший свет в графене

Как отмечают авторы работы, интересными и перспективными в этой связи являются два класса резонансов. Оба они встречаются в полупроводниках - материалах, которые уже являются основой цифровых и аналоговых приборов на чипах. Первый резонанс называется плазмонным и связан с синхронным движением электронов и электромагнитного поля от одной границы образца к другой. Второй резонанс называется циклотронным. Он возникает при совпадении частоты электромагнитной волны с частотой вращения электрона по круговой орбите в магнитном поле.

Хотя оба резонанса успешно исследовались экспериментально, эффект усиления поглощения в большинстве полупроводников до сих пор был мал для практических приложений. В новой работе ученые исследовали поглощение электромагнитных волн в условиях, когда оба резонанса - циклотронный и плазмонный - существуют одновременно. Частота электромагнитных волн была выбрана в окрестности единиц терагерц, а материалом для исследования стал графен (слой атомов углерода).

Графен в эксперименте освещался излучением терагерцового лазера. Как поясняют авторы работы, чем больше света графен поглощает, тем сильнее он нагревается, и тем сильнее меняется его сопротивление. Таким образом, изменение сопротивления графена под действием света является мерой его поглотительной способности. Удивительным результатом эксперимента оказалось сверхсильное поглощение излучения графеном на удвоенной частоте циклотронного резонанса.

При этом сравнение эксперимента с теорией показало, что сильное поглощение связано со взаимодействием ("гибридизацией") двойного циклотронного и плазмонного резонансов. Вблизи частоты двойного циклотронного резонанса плазменные волны очень сильно замедляются - их скорость падает практически до нуля. Падающий на графен свет улавливается и превращается в сверхмедленную поверхностную волну, такие волны "застревают" в графене и находятся в нем, пока не будут поглощены.

Необычным свойством графена, как добавили в МФТИ, здесь является и то, что он совмещает три роли - антенны, поглотителя и генератора фототока. Обычно в полупроводниковой технике эти роли отводились разным материалам и разным приборам.