石墨烯探測器揭示太赫茲光的偏振

物理學家已經創建了一種基于石墨烯的太赫茲輻射寬帶探測器。該設備具有在通信和下一代信息傳輸系統，安全性和醫療設備中的應用潛力。該研究發表在ACS Nano Letters上。新的探測器依靠等離子體波的干擾。這樣的干擾是許多技術應用和日常現象的基礎。它確定樂器的聲音，并導致肥皂泡中的彩虹色以及許多其他效果。各種光譜設備可以利用電磁波的干擾來確定物體的化學成分，物理和其他屬性，包括非常遙遠的物體，例如恒星和星系。

金屬和半導體中的等離子體波最近引起了研究人員和工程師的廣泛關注。像更熟悉的聲波一樣，在等離子體中發生的聲波本質上也是密度波，但它們涉及電荷載流子：電子和空穴。它們的局部密度變化會產生電場，當它通過材料傳播時，它會推動其他電荷載流子。這類似于聲波的壓力梯度如何在不斷擴大的區域內推動氣體或液體顆粒。但是，等離子波在常規導體中迅速消失。

也就是說，二維導體可以使等離子體波在不衰減的情況下在相對較大的距離內傳播。因此，有可能觀察到它們的干擾，從而得到有關所討論材料的電子性能的大量信息。二維材料的等離激元已經成為凝聚態物理的一個高度動態的領域。

在過去的十年中，科學家們在使用基于石墨烯的設備檢測太赫茲輻射方面已經走了很長一段路。研究人員探索了T波與石墨烯相互作用的機理，并創建了原型探測器，其特征與基于其他材料的類似設備的特征相近。

插圖(a)顯示了該設備的俯視圖，其中敏感區域在(b)中放大了。標簽S，D和TG分別表示源極，漏極和頂柵。檢測器的側面在(c)中示出。微米(μm)中有1,000納米(nm)。圖片來源：Daria Sokol / MIPT

然而，迄今為止，研究還沒有關注探測器與明顯偏振的T射線相互作用的細節。也就是說，對波偏振敏感的設備將在許多應用中使用。這個故事中報道的研究通過實驗證明了探測器的響應如何取決于入射輻射的偏振。它的作者還解釋了為什么會這樣。

該研究的共同作者，來自MIPT納米碳材料實驗室的Yakov Matyushkin寫道：“該探測器由一個4毫米寬4毫米的硅晶片和一個小小的2千分之五千分之一毫米的石墨烯組成。兩個由金制成的扁平接觸墊，其領結形狀使檢測器對入射輻射的偏振和相位敏感，此外，石墨烯層還在頂部與另一個金接觸，在它們之間插入了氧化鋁的非導電層。”

在微電子學中，這種結構稱為場晶體管，其兩個側面觸點通常稱為源極和漏極。頂部觸點稱為門。

太赫茲輻射是微波和遠紅外光之間電磁譜的窄帶。從應用的角度來看，T波的一個重要特征是它們穿過生物組織并進行部分吸收，但不會引起電離，因此不會傷害人體。例如，這會將THz輻射與X射線分開。

因此，傳統上考慮用于T射線的應用是醫療診斷和安全檢查。太赫茲探測器也用于天文學。另一個新興的應用是在太赫茲頻率下的數據傳輸。這意味著新的檢測器對于建立5G和6G下一代通信標準很有用。

研究合著者Georgy Fedorov評論說：“太赫茲輻射是垂直于實驗樣品，垂直于其表面。它在樣品中產生光電壓，可以由外部測量設備通過探測器的金觸點吸收光電壓。” MIPT納米碳材料實驗室。“這里至關重要的是被檢測信號的性質。它實際上可以有所不同，并且取決于許多外部和內部參數：樣品的幾何形狀，頻率，輻射極化和功率，溫度等。”