Группа физиков из Университета Манчестера в соавторстве с Нобелевским лауреатом Константином Новосёловым научилась с помощью графена изменять характеристики испускаемого излучения терагерцового лазера. Это стало возможным благодаря особым свойствам двумерного материала — возможности легко изменять его электронную структуру. Работа опубликована в журнале Science.

Устройство представляет собой систему из квантово-каскадного лазера и волновода, поверх которого ученые поместили лист графена большой площади. Излучение, полученное с помощью лазера, распространяется по волноводу, и может изменяться за счет его взаимодействия с электронной структурой системы графен-волновод.

Схематическое изображение устройства, показывающее один из возможных вариантов управления характеристиками излучения, прикладывая напряжение к графеновому слою с помощью зонда атомно-силового микроскопа. Детектирование графеновых плазмонов возможно с помощью ближнепольной оптической микроскопии. Изображение: Marco Polini / Science, 2016

В квантово-каскадном лазере излучение генерируется за счет электронных переходов между слоями гетероструктуры — «стопки» из тонких пленок полупроводников. В отличие от обычных полупроводниковых устройств, спектр излучения квантово-каскадных лежит в инфракрасной области, в том числе с их помощью можно получить и терагерцовое излучение.

Авторы работы использовали в качестве среды распространения полученного лазерного луча металлический волновод, на который «положили» слой графена. Волновод в свою очередь, поместили внутрь оптического резонатора — системы зеркал, в которой многократно отражающиеся фотоны образуют стоячие волны с определенным набором частот. Изменение характеристик светового пучка происходило за счет взаимодействия световых волн в резонаторе и коллективных электронных колебаний в графене — квазичастиц-плазмонов.

Поскольку электронные свойства графена можно менять в широких пределах, например, направленно создавая дефекты или встраивая в его структуру другие атомы, таким образом, можно менять и частоты плазмонов материала. По словам авторов, взаимодействие между поверхностными плазмонами и лазером способно изменять свойства резонатора и тем самым менять частоту и усиление отдельных мод (длин волн) излучения будущего лазера.

Различные модификации устройства  – без и с насечками на волноводе и с графеновым слоем, а также их схематичные и типичные экспериментальные спектры. Изображение: S. Chakraborty, et. al. / Science, 2016

В эксперименте физики сравнили, как меняются свойства излучения лазера при различных способах его модификации. В отсутствие графена устройство генерировало под действием тока большое количество различных длин волн, лежащих в пределах 2.85–3 ТГц. Затем ученые нанесли на волновод специальные насечки. По словам физиков, эти объекты, размером не более микрона, представляют собой своего рода голограмму, соответствующую функции, «фильтрующей» излучение лазера. В результате этого количество пиков в спектре излучения уменьшилось.

Физикам удалось показать, что при определенных условиях эксперимента, для изменения характера лазерного излучения достаточно изменять напряжение, подаваемое на слой графена. Данные изменения обратимы и могут как включать так и выключать спектральные линии в лазере. Авторы считают, что полученные ими результаты могут стать основой для разработки нового поколения активных, программируемых плазмонных метаматериалов с широким спектром применений в фотонике, материаловедении и нанотехнологиях.

Терагерцовым называют излучение которое располагается в электромагнитном спектре между инфракрасным и микроволновым. Обладая сравнительно большой длиной волны — от сотых долей до единиц миллиметра — оно может легко проникать сквозь различные преграды. Например, для терагерцового излучения были разработаны камеры, способные заглянуть внутрь непрозрачных материалов или под слой одежды. Однако современные источники терагерцового излучения обладают большими размерами. Новая технология открывает путь к миниатюризации этих устройств.

Автор: Екатерина Митрофанова