Espectros de absorción / amplificación medidos de la respuesta del dispositivo a la radiación de la onda de pulso de terahercios. El pulso de onda de terahercios se emitió mientras se aumentaba el voltaje de drenaje del transistor de grafeno prototipo. Características de absorción (espectro de frecuencia) del transistor de grafeno, en relación con la onda de pulso incidente, se obtuvieron a partir de la forma de onda de respuesta en el tiempo de la onda de pulso transmitida. Cuando el voltaje de drenaje está por encima de un cierto valor de umbral, Se obtuvo una característica de amplificación (una absorción negativa) con la ganancia máxima de 0.09 (9%). Crédito:Universidad de Tohoku
El profesor de la Universidad de Tohoku, Taiichi Otsuji, ha dirigido un equipo de investigadores internacionales para demostrar con éxito una amplificación coherente a temperatura ambiente de la radiación de terahercios (THz) en el grafeno. accionado eléctricamente por una batería de celda seca.
Hace aproximadamente 40 años, la llegada de la electrónica de ondas de plasma abrió una gran cantidad de nuevas oportunidades. Los científicos estaban fascinados con la posibilidad de que las ondas de plasma pudieran propagarse más rápido que los electrones, sugiriendo que los llamados dispositivos "plasmónicos" podrían funcionar en frecuencias de THz. Sin embargo, los intentos experimentales de realizar tales amplificadores o emisores siguieron siendo esquivos.
"Nuestro estudio exploró el acoplamiento de plasmón ligero THz, absorción de luz, y amplificación utilizando un sistema basado en grafeno debido a sus excelentes propiedades eléctricas y ópticas a temperatura ambiente, ", dijo el profesor Otsuji, que trabaja en el Laboratorio de procesamiento de señales de banda ultra ancha del Instituto de Investigación de Comunicación Eléctrica (RIEC) de la Universidad de Tohoku.
El equipo de investigación que consistía en miembros de Japón, Francés, Instituciones polacas y rusas, diseñó una serie de estructuras de transistores de canal de grafeno monocapa. Estos presentaban una puerta de doble recolección original que funcionaba como una antena de alta eficiencia para acoplar las radiaciones de THz y los plasmones de grafeno.
Una imagen de vista superior con microscopio electrónico de barrido de una estructura de transistor de grafeno fabricada bajo medición. Cuenta con la estructura de electrodo de transistor única llamada "puerta de rejilla doble, "donde dos juegos de electrodos de compuerta que tienen una forma de rejilla similar a un peine se preparan y colocan de manera interdigitada. Crédito:Universidad de Tohoku
El uso de estos dispositivos permitió a los investigadores demostrar la absorción de plasmón resonante sintonizable que, con un aumento de la corriente, da como resultado una amplificación de la radiación de THz. La ganancia de amplificación de hasta el 9% se observó en la monocapa de grafeno, mucho más allá del conocido nivel de referencia del 2,3%, que es el máximo disponible cuando los fotones interactúan directamente con los electrones sin excitación de los plasmones de grafeno.
Para interpretar los resultados, el equipo de investigación utilizó un modelo de cristal plasmónico disipativo, capturando las principales tendencias y la física básica de los fenómenos de amplificación. Específicamente, el modelo predice el aumento de la corriente continua del canal que impulsa al sistema a un régimen de amplificación. Esto indica que las ondas de plasma pueden transferir la energía de cc a las ondas electromagnéticas THz entrantes de forma coherente.
"Como todos los resultados se obtuvieron a temperatura ambiente, Nuestros resultados experimentales allanan el camino hacia una mayor tecnología plasmónica THz con una nueva generación de dispositivos totalmente electrónicos, resonante, y amplificadores THz controlados por voltaje, "añadió el profesor Otsuji.
