Кредит: Адаптировано из Yoshioka et al, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01197-x
Графеновые плазмон-поляритоны представляют собой класс гибридных квазичастиц с выгодными оптоэлектронными свойствами. Эти частицы оказались перспективными для разработки миниатюрных наномасштабных схем, работающих в терагерцовой и средней инфракрасной областях электромагнитного спектра.
Эти терагерцовые схемы потенциально могли бы обрабатывать информацию на замечательных скоростях, тем самым способствуя дальнейшему развитию электроники. Несмотря на потенциал графеновых плазмонных поляритонов для реализации наномасштабных терагерцовых схем, существующие методы оказались неэффективными в интеграции электронных компонентов, необходимых для управления сигналами поляритонов.
Исследователи из NTT Basic Research Laboratories и различных институтов в Японии недавно разработали стратегию для надежной генерации, манипулирования и обнаружения графеновых плазмонных волновых пакетов на чипе с использованием терагерцовой электроники. Их предложенная стратегия, представленная в статье, опубликованной в Nature Electronics, открывает новые возможности для разработки графеновых плазмонных интегральных схем.
«Наше исследование было направлено на разработку сверхбыстрых интегральных схем с использованием графенового плазмона, который обладает уникальными свойствами, такими как настраиваемость, низкие потери и плотное ограничение терагерцовых электрических полей — атрибуты, которые сложно достичь с помощью традиционной электроники», — рассказал Tech Xplore соавтор статьи Кацумаса Ёсиока.
«Наш проект стал результатом совместных усилий экспертов в области электрических транспортных измерений и сверхбыстрой лазерной спектроскопии. Этот междисциплинарный подход способствовал плодотворному обмену идеями и опытом, что привело нас к нашим прорывным открытиям».
Обычные методы генерации терагерцовых графеновых плазмонов основаны на оптических возбуждениях, поэтому их эффективность существенно ограничена несоответствием между импульсом фотонов и плазмонов.
Новый подход, представленный Йошиокой и его коллегами, преодолевает ограничения этих методов, напрямую инжектируя импульсы заряда в графен через омические контакты, что значительно повышает эффективность генерации на чипе.
«Этот метод знаменует собой важный шаг на пути к созданию плазмонных схем графена», — пояснил Йошиока. «Мы взялись за задачу управления электрическими сигналами терагерцового диапазона, на три порядка быстрее, чем обычная гигагерцовая электроника, путем интеграции сверхбыстрых фемтосекундных лазерных систем с фотопроводящими переключателями, что позволяет нам генерировать и обнаруживать эти сигналы во временной области».
Исследователи продемонстрировали осуществимость своей предложенной стратегии в серии тестов, где они вводили электрические импульсы в графеновую микроленту через омический контакт. Они показали, что эти импульсы могут быть эффективно преобразованы в плазмонный волновой пакет с короткими длительностями импульсов.
«Мы продемонстрировали возможность манипулировать фазой и амплитудой терагерцовых электрических сигналов на чипе, используя только внешнее напряжение, приложенное к затворному электроду», — сказал Йошиока. «Примечательно, что мы ограничили пакеты плазмонных волн объемом приблизительно 2,1 × 10–18 м³, что значительно меньше их эквивалентов в свободном пространстве более чем в 5 миллиардов раз».
Эта недавняя работа Йошиоки и его коллег может проложить путь к разработке наномасштабных терагерцовых схем. Эти схемы, в свою очередь, могут быть использованы для разработки новых электронных устройств для широкого спектра приложений, которые могут обрабатывать данные быстрее и эффективнее.
«Заглядывая вперед, мы планируем повысить сложность и функциональность графеновых плазмонных схем», — добавил Йошиока. «Наша будущая работа направлена на интеграцию настраиваемых фильтров, модуляторов и усилителей в эти схемы, расширяя границы того, что в настоящее время возможно в терагерцовой электронике, и вдохновляя новые направления в этой области».
Дополнительная информация: Кацумаса Йошиока и др., Передача ультракоротких волновых пакетов графенового плазмона на кристалле с использованием терагерцовой электроники, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01197-x
Информация о журнале: Nature Electronics
