Российские ученые из Московского физико-технического института и Физико-технологического института РАН обнаружили резонансное поглощение терагерцевого излучения в коммерчески доступном графене. Открытие может помочь в создании эффективного детектора терагерцевого излучения.

Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review Applied.

«Терагерцевая щель» — это «пробел» в мощности источников и регистрирующей способности детекторов в диапазоне от долей до единиц терагерц. На эту щель никто бы не обратил внимания, если бы не потенциал терагерцевых волн в медицине, системах беспроводного интернета и астрофизике. Это излучение может заменить рентгеновское при диагностике и повысить скорость передачи данных в Wi-Fi-системах. Кроме того, в этом диапазоне находится часть слабо изученного космического излучения.

В создании быстрого терагерцевого детектора может помочь графен. Однако атомарный монослой графена поглощает около двух процентов падающего излучения, что недостаточно для эффективного детектирования. Один из способов решения проблемы — локализация поля вблизи графена, благодаря которому электромагнитная волна может «сцепиться» с электронами графена и резонансно раскачать их колебания. Такая комбинированная волна, состоящая из совместно колеблющихся электронов и электромагнитного поля, называется поверхностным плазмоном, а явление усиленного поглощения света благодаря возбуждению этих волн — плазмонным резонансом.

С целью наблюдать тетрагерцевый плазмонный резонанс исследователи разместили вблизи самодельного CVD-графена (на создание которого ушло более года) металлическую «расческу» с расстоянием между зубчиками менее микрона.

Вопреки пессимистичным теоретическим прогнозам, в спектрах поглощения образца удалось выявить пики возбуждения плазмонного резонанса. Однако частота возбуждения не соответствовала существующим теориям и имела другую зависимость от геометрических размеров решетки. Оказалось, что при близком расположении графена и решетки последняя локализует поле плазмона под металлическими штрихами, края которых играют роль зеркал для плазмонов.

Авторы работы сформулировали теорию явления, используя аналогии с приближением сильно связанных электронов в твердом теле. Теория описывает экспериментальные данные без подгоночных коэффициентов и в дальнейшем может быть использована для оптимизации терагерцевых детекторов.