Un equipo de investigadores de Rusia, Gran Bretaña, Japón e Italia han creado un detector de terahercios basado en grafeno. El estudio fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

Cualquier sistema para la transferencia inalámbrica de datos se basa en detectores y fuentes de ondas electromagnéticas, pero no están disponibles para todo tipo de olas. Las fuentes existentes de radiación de terahercios, que ocupa un término medio entre las microondas y la luz infrarroja, consumen demasiada energía o requieren un enfriamiento intenso. Sin embargo, las ondas T podrían permitir una conexión Wi-Fi más rápida, nuevos métodos de diagnóstico médico, y estudios de objetos espaciales utilizando radiotelescopios.

La razón de la ineficiencia de los detectores de terahercios existentes es la falta de coincidencia entre el tamaño del elemento de detección, el transistor (aproximadamente una millonésima parte de un metro) y la longitud de onda típica de la radiación de terahercios, que es unas 100 veces mayor. Esto da como resultado que la onda se deslice más allá del detector sin ninguna interacción.

En 1996, se propuso que para abordar esta cuestión, la energía de una onda incidente podría comprimirse en un volumen comparable al tamaño del detector. Para este propósito, el material del detector debe soportar "ondas compactas" de un tipo especial, llamados plasmones. Representan el movimiento colectivo de los electrones de conducción y el campo electromagnético asociado, no muy diferente de las olas del mar en la superficie que se mueven junto con el viento cuando se instala una tormenta. En teoría, la eficiencia de dicho detector aumenta aún más con la resonancia de ondas.

Implementar un detector de este tipo resultó más difícil de lo previsto. En la mayoría de los materiales semiconductores, los plasmones experimentan una amortiguación rápida, es decir, mueren, debido a las colisiones de electrones con impurezas. El grafeno fue visto como una salida prometedora, pero hasta hace poco no estaba lo suficientemente limpio.

Los autores de la investigación presentaron una solución para el problema de larga data de la detección de ondas T resonantes. Crearon un fotodetector (figura 1) hecho de grafeno bicapa encapsulado entre cristales de nitruro de boro y acoplado a una antena de terahercios. En esta estructura de sándwich, las impurezas se expulsan al exterior de la escama de grafeno, permitiendo que los plasmones se propaguen libremente. La hoja de grafeno confinada por cables metálicos forma un resonador de plasmón, y la estructura bicapa del grafeno permite el ajuste de la velocidad de onda en un amplio rango.

De hecho, el equipo ha desarrollado un espectrómetro compacto de terahercios, varios micrones de tamaño, con la frecuencia de resonancia controlada mediante ajuste de voltaje. Los físicos también han demostrado el potencial de su detector para la investigación fundamental:midiendo la corriente en el detector a varias frecuencias y densidades de electrones, Se pueden revelar las propiedades del plasmón.

"Nuestro dispositivo funciona como un detector sensible y un espectrómetro que funciona en el rango de terahercios, y también es una herramienta para estudiar plasmones en materiales bidimensionales. Todas estas cosas existían antes pero ocuparon toda una mesa óptica. Empaquetamos la misma funcionalidad en una docena de micrómetros, "dijo el coautor Dmitry Svintsov, quien dirige el Laboratorio de Materiales 2-D para Optoelectrónica en el Instituto de Física de Moscú.