Un absorbente perfecto metamaterial (MPA) normalmente consta de unidades metálicas periódicas de longitud de onda inferior (p. ej., superabsorbente plasmónico) o resonantes dieléctricas. En comparación con los sistemas físicos pasivos estáticos, los metamateriales sintonizables pueden manipular dinámicamente ondas electromagnéticas, mejorando el control multidimensional de la respuesta óptica. Hay dos estrategias típicas para lograr propiedades ajustables en metamateriales:reconstrucción mecánica y cambio de las estructuras reticulares de los metamateriales.

A diferencia de estos métodos clásicos, la combinación de materiales funcionales y estructuras metamateriales ofrece una forma de cambiar las propiedades ópticas de los materiales a través de estímulos externos y tiene una tasa de respuesta más rápida. Como material funcional sintonizable típico, el grafeno tiene excelentes características mecánicas, eléctricas y ópticas. La incorporación de grafeno en estructuras metamateriales puede mejorar significativamente las interacciones entre la luz y la materia.

En este sentido, el grupo del profesor Weiping Wu ha demostrado un novedoso absorbente de terahercios de banda ultraancha sintonizable que utiliza las propiedades únicas del grafeno y metamateriales plasmónicos estructurados jerárquicamente. El artículo de investigación del equipo se publica en la revista Advanced Devices &Instrumentation. .

La estructura del metamaterial comprende barras/cuadrados de oro en forma de T alternados, una capa dieléctrica y una capa de grafeno sobre una capa de oro. La absorción promedio del MPA alcanzó el 90% en un rango de frecuencia ultra amplio que abarca desde 20,8 THz a 39,7 THz. Se analiza el origen de los caracteres de banda ancha mediante diagramas de campo eléctrico y se investiga la modulación de la ventana de absorción por el grafeno. Además, se estudian las influencias de diferentes parámetros en los resultados y la investigación discute la posible aplicación de esta estructura en el campo de la optoelectrónica.

Finalmente, se comparan y analizan con los resultados del presente trabajo algunos absorbentes de banda ancha reportados recientemente en la banda de THz-infrarrojo lejano. El absorbente de banda ancha metamaterial propuesto tiene una absorción promedio más alta y un rango de frecuencia más amplio. La estructura propuesta tiene una sola capa de oro estampado, lo que tiene grandes ventajas en comparación con otra literatura en términos de fabricación.

En conclusión, se propone y estudia un nuevo absorbente de terahercios sintonizable de banda ultraancha de grafeno y metamateriales plasmónicos estructurados jerárquicamente, y se investiga numéricamente una absorción de banda ultraancha casi perfecta de 20,8 THz a 39,7 THz. El absorbente propuesto se implementa disponiendo dos estructuras de oro de diferentes tamaños alternativamente en cada celda unitaria. El ancho de banda que supera el 90% de absorción de los absorbentes de banda ancha es de aproximadamente 18,9 THz.

Al ajustar el nivel de energía Fermi del grafeno, se puede sintonizar la posición de la banda ultraancha. Además, se analizan cuantitativamente los efectos de los parámetros geométricos sobre los espectros de absorción del absorbente. Estos resultados implican que el absorbente de metamaterial propuesto en este trabajo puede conducir a mejoras adicionales en el campo del filtrado sintonizable, detectores, radiación térmica controlada y otros dispositivos fotónicos.