Российские ученые и их коллеги из Германии и США обнаружили аномально сильное поглощение света в намагниченном графене. Эффект возникает из-за превращения обычных электромагнитных волн в сверхмедленные поверхностные волны, бегущие по графену. Открытие может помочь в разработке новых компактных и эффективных приемников сигналов связи. Статья опубликована в журнале Nature Physics.
Эффективность сбора световой энергии пропорциональна площади поглотителя. Однако предмет может поглощать излучение с площади большей, чем его собственная, когда частота света находится в резонансе с движением электронов в поглотителе. Явления резонансного поглощения света активно используются для приема электромагнитных волн. Наиболее практичный резонансный приемник — антенна с длиной около половины длины волны излучения. Однако ученые ищут возможности создания сверхкомпактных и резонансных поглотителей излучения.
В этом контексте перспективны два класса резонансов. Первый — плазмонный — резонанс связан с синхронным движением электронов и электромагнитного поля от одной границы образца к другой. Второй — циклотронный, который возникает при совпадении частоты электромагнитной волны с частотой вращения электрона по круговой орбите в магнитном поле. Оба резонанса исследовались экспериментально, но редко использовались для практических приложений.
Теперь ученые из МФТИ и их коллеги исследовали поглощение электромагнитных волн при наличии сразу двух резонансов. Частота электромагнитных волн была выбрана в окрестности единиц терагерц из-за практической значимости диапазона и удобства наблюдения эффектов. В качестве материала для исследования ученые выбрали графен, высокая степень чистоты которого позволяет поддерживать долгоживущие плазменные колебания.
Подмагничивание графена «закручивает» электроны на орбиты, создавая условия для циклотронного резонанса. Уже при небольших значениях поля частота циклотронного резонанса попадает в желаемый терагерцовый диапазон. Чем больше света графен поглощает, тем сильнее он нагревается и тем сильнее меняется его сопротивление.
Ученые наблюдали сверхсильное поглощение излучения графеном на удвоенной частоте циклотронного резонанса. Эффект был связан с взаимодействием резонансов. Вблизи частоты двойного циклотронного резонанса плазменные волны очень сильно замедляются. Падающий на графен свет улавливается и превращается в сверхмедленную поверхностную волну, которая находится в графене до тех пор, пока не будет поглощена.
«Факт усиления поглощения при возбуждении медленных поверхностных волн был известен достаточно давно, — рассказывает соавтор исследования Денис Бандурин. — Однако раньше считалось, что поверхностные волны в полупроводниках не могут быть медленнее, чем электроны, которые движутся в волне. Для графена скорость электронов где-то в 300 раз медленнее скорости света. Наше исследование показывает, что предела для замедления света фактически не существует — он может быть замедлен до полной остановки при включении уже небольшого магнитного поля».
В экспериментах графен выступал одновременно в роли антенны, поглотителя и генератора фототока. Обычно в полупроводниковой технике для этого требуются разные материалы и приборы. Теперь ученые планируют создать компактные сверхпоглотители, которые не будут требовать низких температур и сильных магнитных полей.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
