Detaily článku

Metamateriál pro terahertzový věk

Kvantové materiály na míru jako vysoce účinný zesilovač frekvence.

Mezinárodní výzkumný tým složený z vědců z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Katalánského institutu pro nanovědu a nanotechnologie a JMU Würzburg našel způsob, jak generovat terahertzové záření pomocí frekvenční konverze mnohem účinněji než pomocí předchozích technologií. Speciálně zkonstruovaný systém kvantových materiálů funguje jako vysoce účinný frekvenční zesilovač.

Terahertzové vlny jsou vysokofrekvenční elektromagnetické vlny mezi mikrovlnným a infračerveným rozsahem. V budoucnu by mohly urychlit optoelektronické aplikace a nahradit dnešní gigahertzové technologie v komunikacích. Díky tisíckrát vyšší taktovací frekvenci umožňuje terahertzový rozsah extrémně rychlý přenos dat a mohl by nabídnout základ pro mobilní komunikační sítě šesté generace. Předtím je však třeba překonat technické překážky. Terahertzový rozsah musí být ještě dostatečně prozkoumán: chybějí vhodné komponenty; v současné době lze mnoho systémů v jejich současné podobě používat pouze ve speciálních laboratořích a v kombinaci s vysoce výkonnými lasery. Výzkumníci proto zkoumají řešení související s praxí.

Datum: 11.11.2022

terahertzové technologie

Stokrát vyšší výkon
Některé kvantové materiály jsou obzvláště slibné, protože je lze použít jako druh frekvenčního zesilovače pro konverzi elektronicky generovaného gigahertzového záření do sousedního terahertzového pásma. Toho je dosaženo vysoce účinnou nelineární interakcí mezi světlem a hmotou: silné elektrické pole intenzivního gigahertzového pulzu urychluje volné elektrony v hmotě, které naopak vyzařují světelné pulzy o vysokých frekvencích. Dosavadní problém spočíval v tom, že velmi intenzivní ozařování způsobovalo, že materiály ztrácely téměř veškerý svůj výkon v procesu urychlování.

Nyní se výzkumnému týmu podařilo pomocí nového materiálového systému převést značnou část intenzivního gigahertzového záření - přicházející záření mělo frekvenci 500 gigahertzů (GHz) - do terahertzového pásma. Za tímto účelem zkombinovali tzv. topologický izolant se strukturami zlata, čímž vytvořili metamateriál, tedy materiál s přizpůsobenou strukturou vyznačující se speciálními optickými, elektrickými nebo magnetickými vlastnostmi. Tímto způsobem dosáhli účinnosti konverze téměř deseti procent intenzity elektrického pole ve srovnání s dřívějším zhruba jedním procentem.

2D elektronika, 3D chlazení
"Začali jsme používat grafen, protože má zvláštní elektronickou strukturu, která umožňuje velmi efektivně urychlovat elektrony. Pak jsme ale vypozorovali, že při vysokých intenzitách dosahuje grafen svých limitů," vysvětluje Dr. Jan-Christoph Deinert, spoluautor studie, který je rovněž zodpovědný za terahertzový zdroj TELBE. Ultratenký grafen se skládá z jediné vrstvy atomů uhlíku. Když na materiál dopadne giga- nebo terahertzový puls, elektronový systém se okamžitě zahřeje na několik tisíc stupňů Celsia. V tomto horkém stavu se však grafen stává pro přicházející záření průhledným. Aby mohl materiál interagovat a převádět signály, musí se ochladit - a to během přibližně biliontiny sekundy, což je perioda oscilací terahertzového pole. Jinak se signál mezitím ztratí.

Protože horké elektrony v grafenu nemají dostatek příležitostí zbavit se přebytečného tepla, vědci dále testovali prototyp topologického izolantu selenidu vizmutu. Topologické izolátory uvnitř nevedou elektrické proudy, zatímco elektrony se mohou volně pohybovat pouze na samotném povrchu. Podobně jako u grafenu se tedy přeměna elektronického signálu odehrává ve dvou rozměrech výhradně v nejsvrchnější vrstvě. Na rozdíl od grafenu může být elektronické teplo vyzařováno velmi rychle prostřednictvím téměř okamžité vnitřní interakce s elektrony ve většině materiálu. Výsledkem je rychlé 3D chlazení namísto 2D akumulace tepla.

"I při pokojové teplotě je systém mimořádně účinný. A to jsme ještě nedosáhli hranic: pravděpodobně můžeme výkon ještě zvýšit pro vyšší intenzity," odhaduje Dr. Georgy Astakhov, vedoucí oddělení kvantových materiálů a technologií v Ústavu fyziky iontových svazků a materiálového výzkumu HZDR a jeden z iniciátorů studie.

"Materiálové lego" k dosažení optimálního výkonu
Vysoké intenzity záření na vzorku je dosaženo napařováním zlata na topologické izolátory. Stejně jako malé antény lokálně zesilují přicházející elektrická pole. "Tento přístup jsme již použili u grafenu. Nyní kombinujeme anténní struktury s topologickými izolátory. Je to trochu jako materiálové Lego," říká Klaas-Jan Tielrooij, jehož tým v Barceloně zlaté struktury aplikuje. Topologické izolátory byly vypěstovány ve specializovaných laboratořích ve Würzburgu v rámci spolupráce s ct.qmat Cluster of Excellence, který studuje nové materiály a exotické kvantové jevy.

Dalším krokem, který chtějí vědci učinit, je optimalizace nově zkonstruovaných prototypů metamateriálů: chtějí lépe pochopit, které parametry jsou rozhodující, do jaké intenzity záření proces funguje a zda lze funkčně kombinovat grafen a topologické izolátory. Především však chtějí systém dále zdokonalovat s ohledem na možné aplikace a testovat reálné podmínky, aby jednou mohl být integrován do běžné polovodičové technologie.

Zdrojem informací je Chemeurope.

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.