Terahertseistä näkyväksi valoksi

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR), Katalonian nanotieteen ja nanoteknologian instituutin (ICN2), Exeterin yliopiston ja TU Eindhovenin tutkijoiden ryhmän tekemä työ osoittaa, että grafeenipohjaisia materiaaleja voidaan käyttää korkeataajuisten signaalien tehokkaaseen muuntamiseen näkyväksi valoksi ja että tämä mekanismi on erittäin nopea ja viritettävä

Kyky muuntaa signaaleja taajuusalueelta toiselle on avain eri teknologioihin, erityisesti tietoliikenteessä, jossa esimerkiksi elektronisten laitteiden käsittelemää dataa välitetään usein optisina signaaleina valokuitujen kautta.

Huomattavasti suurempien tiedonsiirtonopeuksien mahdollistamiseksi tulevien langattomien 6G-viestintäjärjestelmien on laajennettava kantoaaltotaajuutta yli 100 gigahertsistä aina terahertsien alueelle asti.

Tulevaisuudessa onkin tarvetta muuntaa nopeasti ja hallittavasti terahertsiaaltoja näkyväksi tai infrapunan valoksi, jota voidaan siirtää optisten kuitujen kautta.

Toistaiseksi puuttuu materiaali, joka pystyy muuttamaan fotonien energiat noin 1000-kertaiseksi. Tiimi on vasta äskettäin tunnistanut niin kutsuttujen Dirac-kvanttimateriaalien, kuten grafeenin ja topologisten eristeiden, voimakkaan epälineaarisen vasteen terahertsien valopulsseihin.

”Tämä ilmenee erittäin tehokkaana korkeiden harmonisten generoitumisena eli valona, jolla on monikertainen alkuperäisen laserin taajuus. Syntyneet harmoniset ovat edelleen terahertsialueen sisällä ja ovat myös ensimmäiset havainnot näkyvän valon emissiosta grafeenista infrapuna- ja terahertsivirityksessä”, muistelee tohtori Sergey Kovalev. "Tähän asti tämä vaikutus on ollut erittäin tehoton ja taustalla oleva fyysinen mekanismi tuntematon."

Uudet tulokset tarjoavat fyysisen selityksen tälle mekanismille ja osoittavat, kuinka valon emissiota voidaan lisätä voimakkaasti käyttämällä runsaasti seostettua grafeenia tai käyttämällä räätälöityä hilamaista grafeenimetamateriaalia.

Ryhmä havaitsi myös, että muunnos tapahtuu erittäin nopeasti – nanosekunteja nopeammin ja että sitä voidaan ohjata sähköstaattisesti.

"Meidän grafeeniin perustuva valon taajuuden muunnos johtuu terahertsien indusoimasta lämpösäteilymekanismista eli varauksenkantajat absorboivat sähkömagneettista energiaa tulevasta terahertsikentästä.

Absorboitunut energia hajautuu nopeasti materiaaliin, mikä johtaa kantajien kuumenemiseen; ja lopuksi tämä johtaa fotonien säteilyyn näkyvässä spektrissä aivan kuten minkä tahansa kuumennetun kohteen säteilemä valo”, selittää professori Klaas-Jan Tielrooij.

Taustalla oleva ultranopea termodynaaminen mekanismi voisi varmasti vaikuttaa terahertsien ja telekommunikaatioiden välisiin yhteyksiin sekä kaikkiin tekniikoihin, jotka edellyttävät signaalien ultranopeaa taajuusmuunnosta arvioivat tutkijat tiedotteessaan.

Grafeeni ja terahertsit