Eerste praktische toepassing van viskeuze elektronenstroom realiseert terahertz fotoconductiviteit in grafeen

9 november 2024 functie

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud hebben gegarandeerd:

gefactcheckt

peer-reviewed publicatie

betrouwbare bron

gecorrigeerd

door Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Wanneer licht het oppervlak van bepaalde materialen raakt, met name die met de eigenschap die bekend staat als fotoresistentie, kan het veranderingen in hun elektrische geleidbaarheid veroorzaken. Grafiet is een van deze materialen, omdat invallend licht elektronen daarin kan opwekken, waardoor de fotoconductiviteit ervan wordt beïnvloed.

Onderzoekers van de Nationale Universiteit van Singapore melden een afwijking van standaard fotoresistentiegedrag in gedopeerd metallisch grafiet. Hun paper, gepubliceerd in Nature Nanotechnology, toont aan dat wanneer dit materiaal wordt blootgesteld aan continue terahertz (THz) straling, Dirac-elektronen in dit materiaal thermisch ontkoppeld kunnen worden van het rooster, wat hun hydrodynamisch transport veroorzaakt.

'Ons onderzoek is voortgekomen uit de groeiende erkenning dat traditionele modellen van elektrongedrag niet volledig de eigenschappen van bepaalde geavanceerde materialen vastleggen, vooral in de kwantumwereld,' vertelde Denis Bandurin, universitair hoofddocent aan NUS, hoofd van het experimentele lab voor gecondenseerde materiefysica en senior auteur van de paper, aan Tech Xplore.

'Lange tijd hebben we elektronen behandeld als onafhankelijke deeltjes, vergelijkbaar met atomen in een gas, waardoor het model eenvoudiger werd. Veel fenomenen die echter zijn waargenomen in kwantummateriaal konden niet worden verklaard. Recente studies suggereerden echter dat onder bepaalde omstandigheden elektronen in deze materialen collectief gedragen, als een vloeistof, wat betekent dat ze samen interactie hebben en samen 'stromen'.'

Het belangrijkste doel van het onderzoek door Bandurin en zijn collega's was om verder te onderzoeken het vloeigedrag van grafiete elektronen dat is gerapporteerd in recente studies. Specifiek probeerde het team vast te stellen of de viskeuze elektronenstroom die werd waargenomen in grafiet zou kunnen helpen om een lang bestaande uitdaging op het gebied van opto-elektronica op te lossen, namelijk het detecteren van THz-straling.

'THz-golven, die tussen microgolven en infrarood op het spectrum liggen, zijn moeilijk te detecteren maar hebben enorme potentieel toepassingen,' zei Bandurin. 'We wilden zien of het vloeigedrag van elektronen de respons van grafiet op THz-straling zou kunnen verbeteren, mogelijk een praktische, snelle detector creërend voor dit uitdagende bereik van het elektromagnetisch spectrum.'

Om de effecten van THz-golven op de elektrische geleidbaarheid van grafiet te onderzoeken, bereidde het team eerst enkel-laags grafietmonsters voor die 'gedoopt' waren met extra elektronen, waardoor ze zich meer als metalen gedroegen. Om efficiënte sensoren in deze monsters te realiseren, moest het team ze verder bewerken, aangezien de elektrische geleidbaarheid van grafiet niet gevoelig is voor verwarming via THz-straling.

'Om dit probleem aan te pakken, hebben we onze monsters ontworpen met een nauwe vernauwing waardoor viskeuze effecten de geleidbaarheid van de monsters die blootgesteld waren aan THz-straling konden veranderen,' legde Mikhail Kravtsov, de eerste auteur van de paper, uit. 'Met behulp van nauwkeurige meetinstrumenten konden we veranderingen in elektronenbeweging en elektrische weerstand binnen het grafiet monitoren terwijl het interageerde met de THz-golven.'

Interessant genoeg observeerden de onderzoekers dat wanneer de gedoopte metallische grafietmonsters waren blootgesteld aan THz-licht, de viscositeit van hun vloeistofachtige elektronen daalde. Hierdoor konden de elektronen gemakkelijker door het materiaal stromen (d.w.z. met minder weerstand).

Bandurin en zijn collega's hebben dit waargenomen effect vastgelegd in een nieuw ontwikkelde viskeuze elektronbolometers. Deze apparaten beloven een detectie van verschuivingen in elektrische geleidbaarheid met extreem hoge snelheden.

'Het meest opwindende resultaat van ons onderzoek was de ontwikkeling van de eerste praktische toepassing van viskeuze elektronenstroom, een concept dat eerder als puur theoretisch werd beschouwd,' zei Bandurin.

'Door de THz-golven te gebruiken om de elektronenviscositeit in grafiet te veranderen, hebben we met succes een apparaat gecreëerd dat THz-straling detecteert met hoge gevoeligheid en snelheid. Dit is een belangrijke prestatie omdat het nieuwe mogelijkheden opent voor het gebruik van THz-technologie in real-world toepassingen - iets dat moeilijk te realiseren was.'

De recente studie van dit team van onderzoekers zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van verschillende ultrasnelle en zeer presterende THz-technologieën. Zo zou het bijvoorbeeld de ontwikkeling van draadloze communicatietechnologie van de volgende generatie (6G en verder), navigatiesystemen voor autonome voertuigen en gereedschappen om hoogwaardige astronomische beelden vast te leggen kunnen informeren.

'Door onze mogelijkheid om THz-licht te detecteren te verbeteren, kunnen we ook industriële processen, zoals kwaliteitscontrole en medische beeldvorming, waarbij deze niet-destructieve sensor veelbelovend is gebleken, verbeteren,' zei Bandurin.

'Vooruitkijkend zal ons belangrijkste doel zijn om deze viskeuze elektronenbolometers te verfijnen en ze zo effectief en praktisch mogelijk te maken voor algemeen gebruik. We onderzoeken manieren om hun gevoeligheid en duurzaamheid te optimaliseren, zodat ze efficiënt kunnen werken in verschillende omstandigheden en toepassingen.'

In hun volgende studies zijn Bandurin en zijn collega's ook van plan om andere kwantummateriaal te bestuderen dat vergelijkbare vloeistof-achtige elektrongedrag vertoont. Dit zal hen in staat stellen te bepalen of deze materialen, in vergelijking met grafeen, vergelijkbare of misschien zelfs meer uitgesproken reacties op THz-straling vertonen.

'Het begrijpen van hoe we dit collectieve elektrongedrag breder kunnen benutten, zou de weg kunnen effenen voor nog geavanceerdere apparaten in de opto-elektronica en de kwantumtechnologie, wat potentieel zou kunnen leiden tot doorbraken in gegevensoverdracht, beeldvorming en verder,' voegde Bandurin toe.

Meer informatie: M. Kravtsov et al, Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y

© 2024 Science X Network