С помощью одиночных углеродных нанотрубок можно различать закрученность терагерцового излучения. Продемонстрированный в лаборатории МФТИ эффект будет полезен в деле разработки терагерцовых плазмонных интерферометров, детекторов и спектрометров на чипе. Такие приборы будут востребованы в различных отраслях — от медицины до телекоммуникаций.
Материалы исследования опубликованы в журнале американского оптического общества OSA Optics Express.
Плазменные волны, подобно любым другим видам периодических возбуждений (от волны на воде до электромагнитных волн), способны интерферировать между собой. Явление интерференции широко применяется в различных областях науки от оптики до квантовой физики. Если удается создать систему, в которой при помощи изменения какого-то параметра можно контролируемо настраивать интерференцию, то такая физическая система может использоваться для решения прикладных задач. Это связано с тем, что по изменению интерференционной картины можно получить информацию об источнике, который ее породил.
Учёные сделали образцы со следующей конфигурацией: отдельно лежащие углеродные нанотрубки присоединяли к металлической антенне специальной геометрии. Эта структура была положена на оксидированный кремний, и в результате получился полевой транзистор, каналом которого являются отдельные углеродные нанотрубки. Облучая такой образец терагерцовым лазером перпендикулярно поверхности кремния, можно получить сигнал постоянного фотонапряжения, возникающий между рукавами антенны. В формировании сигнала могут участвовать различные физические механизмы в зависимости от температуры, частоты и мощности излучения, структуры образца и других параметров. Удалось показать экспериментально и теоретически, что сигнал постоянного фотонапряжения, возникающий в описанном устройстве, несёт в себе отпечаток интерференции двух плазменных волн, распространяющихся в углеродных нанотрубках навстречу друг другу. Наблюдение явления стало возможным благодаря особой геометрии антенны и использованию поляризованного по кругу лазерного излучения.
«Сигнал постоянного фотонапряжения сильно различался для право- и лево-поляризованного излучения. В зависимости от того, в каком направлении закручено излучение, плазменные волны интерферируют в нашем устройстве по-разному», — говорит Максим Москотин, один из соавторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.
Ранее эта же научная группа продемонстрировала аналогичный эффект в графене.
«Мы решили проверить, будет ли работать этот эффект в углеродных нанотрубках, потому что теоретические оценки показали, что время релаксации электронного импульса в трубках в 10 раз больше, чем в графене, — соответственно, коллективные электронные возбуждения должны затухать в них медленнее», — комментирует Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.
Авторам удалось не только продемонстрировать экспериментальный эффект, но и разработать теорию, которая этот эффект описывает. Главным выводом теории является тот факт, что вклад от интерференции плазменных волн будет присутствовать в сигнале постоянного фотоотклика на закрученное терагерцовое излучение независимо от размерности физической системы, в которой происходит интерференция, и спектра электронов в ней. Этот фундаментальный результат открывает широкое поле для дальнейших экспериментальных исследований и разработки прикладных устройств.
Терагерцовое излучение — это перспективный участок электромагнитного спектра, который активно исследуется в последние десятилетия. Характерная длина волны этого излучения делает его уникальным инструментом для неинвазивной медицинской диагностики, исследований космоса, систем безопасности и контроля на производствах. Следует отдельно отметить, что развитие телекоммуникаций, которое требует всё более высоких скоростей передачи данных, уже привело стандарт связи 5G практически в область терагерцовых частот. Вероятно, следующий стандарт (6G) будет использовать терагерцовые либо субтерагерцовые частоты для передачи информации.
Экспериментальный образец был изготовлен сотрудниками лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ на базе ЦКП МФТИ. Экспериментальная часть выполнена на базе университета Регенсбурга (Германия). Теоретическая модель, описывающая работу устройства, предложена физиками из ФТИ им. А. Ф. Иоффе.