研究团队开发新材料系统来转换和产生太赫兹波

在电磁频谱上，太赫兹光位于红外辐射和微波之间。它对未来的技术具有巨大的潜力：除其他外，它可能会通过实现极快的移动通信连接和无线网络来成功 5G。从千兆赫频率过渡到太赫兹频率的瓶颈是由效率不足的源和转换器造成的。德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心 (HZDR) 参与的德国-西班牙研究团队现已开发出一种材料系统，可以比以前更有效地产生太赫兹脉冲。它基于石墨烯，即超薄碳片，涂有金属层状结构。该研究小组在ACS Nano杂志上发表了他们的研究结果.

前段时间，研究 HZDR 加速器 ELBE 的一组专家能够证明石墨烯可以充当倍频器：当二维碳用低太赫兹频率范围内的光脉冲照射时，这些被转换为更高频率。到目前为止，问题一直是极强的输入信号，而后者只能由全尺寸粒子加速器产生，需要有效地产生这种太赫兹脉冲。“这对于未来的技术应用显然是不切实际的，”解释说研究的主要作者，HZDR 辐射物理研究所的 Jan-Christoph Deinert。“因此，我们寻找了一种材料系统，它也可以在不那么剧烈的输入下工作，即具有较低的场强。”

为此，HZDR 科学家与来自加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所 (ICN2)、光子科学研究所 (ICFO)、比勒费尔德大学、柏林工业大学和位于美因茨的马克斯普朗克聚合物研究所的同事一起，提出了一个新想法：通过在石墨烯上涂上微小的金薄片，可以极大地增强频率转换，金薄片具有迷人的特性：“它们就像天线一样，可以显着放大石墨烯中传入的太赫兹辐射，”项目协调员 Klaas 解释说- ICN2 的 Jan Tielrooij。“因此，我们得到了非常强的场，石墨烯暴露在薄片之间。这使我们能够非常有效地产生太赫兹脉冲。”

令人惊讶的有效倍频

为了测试这个想法，巴塞罗那 ICN2 的团队成员制作了样品：首先，他们将单个石墨烯层应用到玻璃载体上。在顶部，他们气相沉积了一层超薄的氧化铝绝缘层，然后是金条格子。然后将样品带到德累斯顿-罗森多夫的 TELBE 太赫兹设施，在那里用低太赫兹范围(0.3 至 0.7 THz)的光脉冲击中它们。在这个过程中，专家们使用特殊的探测器来分析涂有金薄片的石墨烯如何有效地增加入射辐射的频率。

“效果很好，”谢尔盖·科瓦列夫很高兴地报告说。他负责 HZDR 的 TELBE 设施。“与未经处理的石墨烯相比，更弱的输入信号足以产生倍频信号。” 用数字表示，只需原来所需场强的十分之一就足以观察倍频。在技​​术相关的低场强下，由于采用了新材料系统，转换后的太赫兹脉冲的功率要强一千多倍。单个薄片越宽，暴露的石墨烯区域越小，这种现象就越明显。最初，专家们能够将传入频率提高三倍。后来，它们获得了更大的效果——输入频率增加了五倍、七倍甚至九倍。

兼容芯片技术

这提供了一个非常有趣的前景，因为直到现在，科学家们还需要大型、复杂的设备，如加速器或大型激光器来产生太赫兹波。多亏了这种新材料，也有可能完全通过电输入信号实现从千兆赫兹到太赫兹的飞跃，即用更少的努力。“我们基于石墨烯的超材料将与当前的半导体技术非常兼容，”Deinert 强调说。“原则上，它可以集成到普通芯片中。” 他和他的团队已经证明了新工艺的可行性——现在在特定组件中实施可能成为可能。

潜在的应用可能是巨大的：由于太赫兹波的频率高于当今使用的千兆赫兹移动通信频率，因此它们可用于传输更多的无线数据——5G 将变成 6G。但太赫兹范围也对其他领域感兴趣——例如，从工业和机场安全扫描仪的质量控制到材料研究中的各种科学应用。

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