Optinen terahertsitransistori

Graafinen esitys ehdotetusta terahertsistä vahvistusjärjestelmästä, joka rakentuu grafeenilevystä ja kaksiulotteisesta suprajohteesta. Vahvistus johtuu elektronien koordinoidusta värähtelykäyttäytymisestä kerrosten välisessä rajapinnassa. Valonlähteen tai akun antama teho johtaa vahvempaan THz-säteilyyn, kuten heijastuneella keltaisella nuolella on esitetty.

Institute for Basic Sciencen (IBS, Etelä-Korea) tutkijat ovat ehdottaneet grafeenista ja kaksiulotteisesta suprajohteesta valmistettua transistorirakennetta, joka vahvistaa terahertsisignaaleja (THz).

Tutkimus tehtiin yhteistyössä kiinalaisten, venäläisten ja brittiläisten kollegoiden kanssa ja se julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä.

Kasvava kiinnostus THz-taajuusalueelle on helposti selitettävissä sen erilaisilla mahdollisilla sovelluksilla. Tämä sähkömagneettisen spektrin alue, radioaaltojen ja infrapunavalon välillä, soveltuu muun muassa erittäin korkearesoluutioisiin kuviin, tunkeutumattomaan kasvainten havaitsemiseen, bioturvallisuuteen, tietoliikenteeseen sekä salauksen ja sen purkamisen menettelyihin.

Kuitenkin käytännössä tehokkaan säteilylähteen löytäminen tältä taajuusalueelta on niin haastavaa, että tutkijat viittaavat tähän ongelmaan yleensä termillä "Terahertz-gap".

Tässä työssä tutkijat ehdottivat uutta strategiaa THz-säteilyn vahvistamiseksi heikoista ja epäyhtenäisistä signaaleista, jotka ovat yleisiä esimerkiksi biologisissa näytteissä.

Laite koostuu grafeenilevystä, joka on sijoitettu kaksiulotteisen suprajohtimen läheisyyteen ja kytketty virtalähteeseen, joka tuottaa tarpeeksi energiaa suprajohteen elektronien virittämiseksi. THz-signaalin vahvistus selitetään elektronien kollektiivisella värähtelykäyttäytymisellä molemmissa materiaaleissa sekä grafeenin kvanttikapasitanssilla.

Grafeeni-suprajohde hybridissä elektronit ja Cooper-parit pariutuvat Coulombin voimien avulla. Transistori toimii molemmissa kerroksissa tapahtuvan pintaplasmonien etenemisen kautta ja vahvistuksen lähtökohta on grafeenin kvanttikapasitanssi. Se johtaa terahertsiaallon vahvistumiseen, negatiivisen tehon absorptioon jolloin järjestelmä tuottaa positiivisen vahvistuksen. Hybridi toimii kuin optinen transistori terahertsien valolla. Se voi periaatteessa vahvistaa jopa koko kaoottisten signaalien (tai kohinan) spektrin. Sellaista ominaisuutta kaivataan lukuisiin biologisiin sovelluksiin.

”Tämä työ osoittaa sovelluskeskeiset näkökulmat järjestelmille, joille on tunnusomaista puhtaat kvanttivaikutukset. Valo-aine vuorovaikutukselle näissä hybridijärjestelmissä ei ole vain perustavanlaatuista mielenkiintoa, vaan siitä voi tulla perusta tulevaisuuden laitteille, kuten terahertsin logiikkaportit, joille on tällä hetkellä suuri kysyntä”, selittää IBS:n Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) -tiimin Ivan Saveno.

Aiheesta aiemmin:

Näppärä terahertsinen tekniikka

Terahertsit käyttöön