Российские исследователи смогли создать двухслойные структуры из ультратонкой пленки висмута на диэлектрической подложке. Ученые выявили у них свойства гиперболической среды в терагерцовом диапазоне. Теперь исследователи создают на основе материала датчик терагерцового излучения с быстрым откликом и высокой чувствительностью.

Результаты работы, поддержанной грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда, опубликованы в журнале Rapid Research Letters.

Гиперболическая среда представляет собой особый класс материалов, которые поддерживают распространение электромагнитных волн с очень большими волновыми векторами. У таких веществ исследователи выявляют уникальные оптические свойства, такие как отрицательное преломление света, усиление спонтанного излучения, управление излучательной теплопередачей и удержание света в наномасштабе. Такие метаматериалы ученые уже создавали ранее для оптического, инфракрасного и микроволнового диапазонов частот.

Найти подобные структуры, активные в терагерцовом диапазоне в средах на основе графена и висмута, исследователям до сих пор не удавалось. Их предсказывали только теоретически, но экспериментального подтверждения не было. В своей работе исследователи из Университета ИТМО впервые показали этот эффект в материалах на основе висмута. Исследователи построили зависимости интенсивности терагерцовых импульсов от времени после прохождения их через ультратонкие структуры на диэлектрической подложке.

В результате авторы обнаружили отрицательную временную задержку, которая объясняется переходом между эллиптической и гиперболической дисперсией материала при увеличении толщины висмута. Ученые показали, что изначально близкий к нулю коэффициент преломления уходит в минус при создании композитного материала. Физики также показали, что его величина зависит от толщины пленки висмута и оптических свойств диэлектрической подложки.

Излучение терагерцового диапазона частот перспективно для решения практически важных задач: оно может быть использовано в системах спектроскопии, визуализации, детектирования, передачи данных, а также при разработке биосенсоров.

Авторы нового исследования планируют теперь разработать прототип компактного, быстродействующего, высокочувствительного терагерцового детектора, который станет дешевой альтернативой имеющимся на сегодняшний день детекторам излучения при комнатной температуре.