Pierwsze praktyczne zastosowanie lepkiego przepływu elektronów realizuje fotoelektryczność w grafenie w terahercach.

9 listopada 2024 cecha

Ten artykuł został zrewidowany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami X Science. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, zapewniając wiarygodność treści:

zweryfikowane faktami

publikacja z recenzją naukową

zaufane źródło

zweryfikowane przez korektora

przez Ingrid Fadelli , Tech Xplore

Gdy światło uderza w powierzchnię niektórych materiałów, zwłaszcza tych wykazujących cechę fotooporności, może to spowodować zmiany w ich przewodnictwie elektrycznym. Grafen należy do tych materiałów, ponieważ padające światło może pobudzić elektrony w nim, wpływając na jego foto-przewodnictwo.

Badacze z Narodowego Uniwersytetu Singapuru zgłaszają odchylenie od standardowego zachowania fotoopornego w domieszkowanym metalicznym grafenie. Ich praca, opublikowana w Nature Nanotechnology, pokazuje, że gdy materiał ten jest wystawiony na ciągłe promieniowanie terahercowe (THz), elektrony Diraca w tym materiale mogą być cieplnie odłączone od sieci krystalicznej, co powoduje ich hydrodynamiczny transport.

„Nasze badanie wynika z narastającej świadomości, że tradycyjne modele zachowania elektronów nie uchwytują w pełni właściwości pewnych zaawansowanych materiałów, zwłaszcza w świecie kwantowym,” powiedział Tech Xplore Denis Bandurin, starszy wykładowca na NUS, kierownik laboratorium doświadczalnej fizyki materii skondensowanej i główny autor pracy.

„Przez długi czas traktowaliśmy elektrony jako niezależne cząstki, przypominające atomy w gazie, co upraszczało model. Jednak wiele zjawisk obserwowanych w materiałach kwantowych nie mogło być wyjaśnionych. Ostatnie badania jednak sugerują, że w pewnych warunkach elektrony w tych materiałach zachowują się zbiorowo, jak płyn, co oznacza, że oddziałują i 'płyną' razem.”

Podstawowym celem badania Bandurina i jego współpracowników było dalsze zbadanie zachowania się elektronów grafenowych podobnych do płynu, o którym informują ostatnie badania. W szczególności zespół próbował ustalić, czy odkryta lepkość przepływu elektronów w grafenie mogłaby pomóc w rozwiązaniu długo istniejącego wyzwania w dziedzinie optoelektroniki, jakim jest wykrywanie promieniowania THz.

„Fale THz, leżące między mikrofalami a podczerwienią na spektrum, są trudne do wykrycia, ale mają ogromne potencjalne zastosowania,” powiedział Bandurin. „Chcieliśmy zobaczyć, czy płynne zachowanie elektronów mogłoby zwiększyć odpowiedź grafenu na promieniowanie THz, potencjalnie tworząc praktyczny, szybki detektor dla tej trudnej strefy spektrum elektromagnetycznego.”

Aby zbadać wpływ fal THz na przewodność elektryczną grafenu, zespół najpierw przygotował próbki grafenu o pojedynczej warstwie „domieszkowane” dodatkowymi elektronami, co sprawiło, że zachowywały się one bardziej jak metale. Aby osiągnąć efektywne czujniki w tych próbkach, zespół musiał je dodatkowo przetworzyć, ponieważ przewodność elektryczna grafenu nie jest wrażliwa na ogrzewanie za pomocą promieniowania THz.

„Aby poradzić sobie z tym problemem, zaprojektowaliśmy nasze próbki tak, by miały wąski zwężenie, które pozwala lepkim efektom zmieniać przewodność w próbkach, które były wystawione na promieniowanie THz,” wyjaśnił Mikhail Kravtsov, pierwszy autor pracy. „Korzystając z narzędzi pomiarowych o dużej precyzji, mogliśmy monitorować zmiany w ruchu elektronów i oporze elektrycznym wewnątrz grafenu podczas oddziaływania z falami THz.”

Co ciekawe, badacze zaobserwowali, że gdy domieszkowane próbki metalicznego grafenu były pod wpływem światła THz, lepkość ich płynnych elektronów spadała. Pozwalało to elektronom łatwiej przemieszczać się przez materiał (tj. z mniejszym oporem).

Bandurin i jego współpracownicy uchwycili ten obserwowany efekt w nowo opracowanych boliometrach dla lepkich elektronów. Te urządzenia mogą obiecać wykrycie zmian w przewodności elektrycznej z niezwykle wysoką prędkością.

„Najbardziej ekscytującym osiągnięciem naszego badania było opracowanie pierwszego praktycznego zastosowania przepływu lepkich elektronów, koncepcji dotychczas uznanej za czysto teoretyczną,” powiedział Bandurin.

„Wykorzystując fale THz do zmiany lepkości elektronów w grafenie, udało nam się stworzyć urządzenie, które wykrywa promieniowanie THz z dużą czułością i szybkością. Jest to znaczące osiągnięcie, ponieważ otwiera nowe możliwości stosowania technologii THz w aplikacjach rzeczywistych—co do tej pory było trudne do zrealizowania.”

Najnowsze badania tego zespołu badaczy mogą mieć ważne implikacje dla rozwoju różnorodnych technologii w zakresie THz, które są ultra-szybkie i wydajne. Na przykład, mogą one wpłynąć na rozwój technologii komunikacji bezprzewodowej następnej generacji (6G i dalszych), systemów nawigacyjnych dla pojazdów autonomicznych oraz narzędzi do przechwytywania obrazów astronomicznych o wysokiej rozdzielczości. "Poprawiając naszą zdolność do detekcji światła w zakresie THz, możemy także zwiększyć wydajność procesów przemysłowych, takich jak kontrola jakości i obrazowanie medyczne, gdzie ten nieniszczący czujnik pokazał obietnice," powiedział Bandurin. "Patrząc w przyszłość, naszym głównym celem będzie udoskonalenie tych bolometrycznych elektronów lepkich i sprawienie, żeby były one możliwie skuteczne i praktyczne do powszechnego użytku. Badamy sposoby optymalizacji ich czułości i trwałości, zapewniając, że mogą one działać wydajnie w różnorodnych warunkach i zastosowaniach." W ich kolejnych badaniach Bandurin i jego koledzy planują także zbadanie innych materiałów kwantowych, które wykazują podobne zachowanie elektronów przypominające ciecz. Pozwoli im to określić, czy w porównaniu z grafenem te materiały wykazują podobne lub nawet bardziej wyraźne reakcje na promieniowanie THz. "Zrozumienie, jak efektywniej wykorzystać to zbiorowe zachowanie elektronów, może przygotować grunt dla jeszcze bardziej zaawansowanych urządzeń w obszarze optoelektroniki i technologii kwantowej, potencjalnie prowadząc do przełomów w transmisji danych, obrazowaniu i nie tylko," dodał Bandurin. Więcej informacji: M. Kravtsov et al, Viskozna fotojałowość nadterahercowa elektronów hydrodynamicznych w grafenie, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y © 2024 Science X Network