Группа исследователей из США создала первый массив электрически-перестраиваемых плазмонных антенн, работающих в средней инфракрасной области электромагнитного спектра.

Воплотить идею ученых о регулируемых параметрах наноантенны позволило использование графена.

В будущем созданное устройство может найти применение в различных практических сферах, к примеру, при создании всевозможных датчиков, оптоэлектронных устройств или реконфигурируемых метаповерхностей.

В повседневной жизни мы регулярно сталкиваемся с обычными антеннами, используемыми для приема или передачи сигналов телевидения и радио. Известно, что та же идея приема электромагнитных волн может использоваться и для оптического излучения, однако в этом случае геометрические размеры антенны придется сократить до наномасштабов.

Характеризуются наноантенны так называемыми плазмонными модами, которые могут быть настроены в резонанс с оптическими переходами в молекулах, расположенных в непосредственной близости от антенн. Именно настройка под эти моды обеспечивает связь фотонов, испускаемых антенной и соседними молекулами.

Телевизионные и радиоантенны легко настраиваются, что обеспечивает возможность приема или излучения электромагнитных колебаний из определенного спектрального диапазона. Для широкого практического применения наноантеннам необходимы те же возможности. К сожалению, по сравнению с обычными антеннами наноантенны, работающие с оптическими волнами, сложны в настройке. И в первую очередь эти сложности связаны с небольшими размерами устройства, т.е. невозможностью манипулировать характеристиками напрямую. На вопрос о том, как иначе можно «настраивать» рабочую частоту наноантенны, уже некоторое время пытались ответить несколько научных групп по всему миру.

Кажется, группа ученых из Harvard University (США) нашла достойное решение этой проблемы. Ученые показали, что резонансная частота наноантенны, построенной по определенной схеме и содержащей графен, может быть настроена в рамках средней ИК-области электромагнитного спектра при помощи приложения внешнего напряжения.

Графен представляет собой плоский лист углерода, в котором атомы образуют двумерную гексагональную кристаллическую решетку.

Как показали проведенные учеными эксперименты,

напряжение затвора, приложенное к графену, позволяет изменять концентрацию свободных носителей заряда в материале (электронов и дырок проводимости), влияя, таким образом, на проводимость и оптические постоянные материала.

Поэтому небольшой фрагмент графена, расположенный в нанозазоре оптической антенны, выступает в качестве настраиваемого элемента схемы, позволяющего контролировать резонансную частоту всей системы.

При этом главная особенность материала заключается в том, что он позволяет настраивать антенну в широком спектральном диапазоне.

В рамках эксперимента массив наноантенн, содержащих графен, был построен учеными на подложке из кремния, снабженной тонким слоем оксида кремния в качестве изоляции.

Как считают сами ученые,

предложенные ими наноантенны могут в будущем найти применение в самых разнообразных областях, от построения всевозможных датчиков, до разработки новых оптоэлектронных устройств.

В данный момент научная группа занята поиском новой структуры, которая позволила бы им расширить диапазон настройки наноустройств. Одновременно ведутся исследования поведения метаповерхностей, представляющих собой массивы из сотен подобных наноантенн.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.