Första praktiska tillämpningen av viskös elektronflöde realiserar terahertz fotoledning i grafen

9 november 2024

Detta artikel har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper och samtidigt säkerställt innehållets trovärdighet:

faktagranskad

peer-reviewad publikation

pålitlig källa

korrekturläst

av Ingrid Fadelli, Tech Xplore

När ljus träffar ytan på vissa material, nämligen de som visar en egenskap som kallas fotomotstånd, kan det inducera förändringar i deras elektriska ledningsförmåga. Grafen är ett av dessa material, eftersom infallande ljus kan excitera elektroner inom det och påverka dess fotoledningsförmåga.

Forskare vid National University of Singapore rapporterar en avvikelse från standardbeteenden hos fotomotstånd i dopad metallisk grafen. Deras artikel, publicerad i Nature Nanotechnology, visar att när Dirack elektroner i detta material exponeras för kontinuerlig terahertz (THz) strålning kan de termiskt kopplas bort från gittret och stimulera deras hydrodynamiska transport.

'Vår forskning har uppstått från den ökande erkännandet att traditionella modeller för elektronbeteende inte fullständigt fångar egenskaperna hos vissa avancerade material, särskilt i den kvantmekaniska världen', Denis Bandurin, biträdande professor vid NUS, ledare för experimentell kondenserad materiafysiklab och huvudförfattare till artikeln, berättade för Tech Xplore.

'Under lång tid har vi behandlat elektroner som oberoende partiklar, liknande atomer i en gas, vilket gjort modellen enklare. Men många fenomen som observerats i kvantmaterial kunde inte förklaras. Nyligen har studier dock föreslagit att under vissa förhållanden beter sig elektroner i dessa material kollektivt, som en vätska, vilket betyder att de interagerar och 'flödar' tillsammans.'

Det främsta syftet med studien av Bandurin och hans kollegor var att ytterligare utforska grafen elektroners vätskeliknande beteende som rapporterats i tidigare studier. Specifikt försökte teamet avgöra om den viskösa elektronflödet som observerades i grafen kunde hjälpa till att lösa en långvarig utmaning inom optoelektroniken, nämligen att upptäcka THz-strålning.

'THz-vågor, som ligger mellan mikrovågor och infrarött på spektret, är svåra att upptäcka men har enorma tillämpningsmöjligheter', sa Bandurin. 'Vi ville se om elektronernas vätskeliknande beteende kunde förbättra grafens respons på THz-strålning, potentiellt skapa en praktisk, höghastighetsdetektor för detta utmanande område av elektromagnetiskt spektrum.'

För att utforska effekterna av THz-vågor på den elektriska ledningsförmågan hos grafen, förberedde teamet först enstaka lager av grafenprover 'dopade' med ytterligare elektroner, vilket fick dem att bete sig mer som metaller. För att uppnå effektiv detektering i dessa prover var teamet tvungna att bearbeta dem ytterligare, eftersom grafens elektriska ledningsförmåga inte är känslig för uppvärmning via THz-strålning.

'För att adressera detta problem designade vi våra prover med en smal förträngning som möjliggör viskösa effekter att ändra ledningsförmågan hos proverna som exponerades för THz-strålning,' förklarade Mikhail Kravtsov, försteförfattaren till artikeln. 'Genom användning av högupplösta mätverktyg kunde vi övervaka förändringar i elektronrörelse och elektrisk resistans inom grafen när det interagerade med THz-vågor.'

Intressant nog observerade forskarna att när de dopade metalliska grafenproverna var under påverkan av THz-ljus minskade viskositeten hos deras vätskeliknande elektroner. Detta tillät elektronerna att flöda genom materialet mer lätt (dvs med mindre motstånd).

Bandurin och hans kollegor fångade denna observerade effekt med nyutvecklade viskösa elektronbolometrar. Dessa enheter kan lova en detektering av skift i elektrisk ledningsförmåga vid extremt höga hastigheter.

'Den mest spännande prestationen i vår studie var att utveckla den första praktiska tillämpningen av visköst elektronflöde, ett koncept som tidigare har betraktats som rent teoretiskt,' sa Bandurin.

'Genom att använda THz-vågorna för att ändra elektronviskositeten i grafen skapade vi framgångsrikt en enhet som detekterar THz-strålning med hög känslighet och hastighet. Detta är en betydande prestation eftersom det öppnar nya möjligheter för användning av THz-teknik i verkliga tillämpningar—något som har varit utmanande att förverkliga.'

Den senaste studien av detta forskarteam kan ha viktiga konsekvenser för utvecklingen av olika ultrasnabba och högpresterande THz-teknologier. Till exempel kan den bidra till utvecklingen av trådlös kommunikationsteknik för nästa generation (6G och framåt), navigeringssystem för autonoma fordon och verktyg för att ta högupplösta astronomiska bilder. "Genom att förbättra vår förmåga att upptäcka THz-ljus kan vi också förbättra industriella processer, som kvalitetskontroll och medicinsk avbildning, där denna icke-förstörande sensorteknik har visat sig lovande," sade Bandurin. "Vår främsta målsättning framåt kommer att vara att förädla dessa viskösa elektronboliometrar och göra dem så effektiva och praktiska som möjligt för en bred användning. Vi undersöker sätt att optimera deras känslighet och hållbarhet, för att säkerställa att de kan fungera effektivt i olika förhållanden och tillämpningar." I sina kommande studier planerar Bandurin och hans kollegor också att undersöka andra kvantmaterial som uppvisar liknande fluida elektronbeteenden. Detta kommer att möjliggöra att de kan fastställa om dessa material, jämfört med grafen, uppvisar liknande eller kanske till och med mer accentuerade responser på THz-strålning. "Att förstå hur man kan utnyttja detta kollektiva elektronbeteende på ett bredare sätt kan bana väg för ännu mer avancerade enheter inom optoelektronik och kvantteknik, vilket potentiellt kan leda till genombrott inom dataöverföring, avbildning och mer," tillade Bandurin. Mer information: 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