Группа учёных из испанского Института фотоники (ICFO) разработала устройство, использующее графен для детектирования лучей среднего участка инфракрасного спектра и эффективного преобразования их в электрические сигналы при комнатной температуре. Это изобретение может улучшить системы коммуникаций, тепловизоры и другие технологии.

Излучение в среднем ИК-диапазоне, с длинами волн 8–14 мкм, активно используется средствами тепловой визуализации и молекулярной спектроскопии. Кроме того, такие лучи могут распространяться в воздухе без заметных потерь, это делает их перспективными для применения в беспроводных коммуникациях и дистанционных измерениях. Но традиционные детекторы ИК-лучей при комнатной температуре работают очень медленно: по причине тепловой инерции на их нагрев уходит обычно около миллисекунды.

Продемонстрированное сотрудниками ICFO устройство лишено этого недостатка благодаря уникальным свойствам одноатомного слоя углерода — графена и его плазмонов — коллективных колебаний электронов.

В новом устройстве авторы использовали дисковые плазмонные резонаторы из графена, соединённые квази-одномерными нанолентами. Такие синтетические наноструктуры преобразуют ИК-свет в плазмоны, а их — в электронное тепло.

«Действительно уникальным в графене является то, что рост электронной температуры, вызванный распадом плазмона, у него намного выше, чем у других материалов», — пишет Цюши Гуо (Qiushi Guo), первый автор статьи об этом исследовании в Nature Materials.

Время реагирования плазмонного резонатора на ИК-сигнал составляет всего одну миллиардную долю секунды Это делает графеновый датчик оптимальным для высокоскоростных ИК-коммуникаций.

Предложенная конструкция отличается простотой и широкими возможностями масштабирования — габариты такого датчика могут быть даже меньше длины световой волны. Это позволит, например, создать тепловую видеокамеру с субволновыми пикселями или уместить на одной интегральной фотонной схеме всю функциональность ИК-спектрометра.