Οι ερευνητές κατασκευάζουν ηλεκτρικά συντονιζόμενες συσκευές γραφενίου για να μελετήσουν τη φυσική των σπάνιων γαιών

Μια διεθνής ομάδα, με επικεφαλής τους ερευνητές του Εθνικού Ινστιτούτου Γραφενίου (NGI) του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο και του Penn State College of Engineering στις ΗΠΑ, ανέπτυξε μια συντονίσιμη πλατφόρμα βασισμένη σε γραφένιο που επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλη στο φάσμα terahertz (THz) για ανίχνευση Σχετικά με σπάνια φαινόμενα γνωστά ως εξαιρετικά σημεία. Αυτό το επίτευγμα θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη ασύρματης τεχνολογίας πέρα ​​από το 5G για δίκτυα επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας. Πίστωση: Petro Steiner, Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ

Μια διεθνής ομάδα, με επικεφαλής τους ερευνητές του Εθνικού Ινστιτούτου Γραφενίου (NGI) του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο και του Penn State College of Engineering στις ΗΠΑ, ανέπτυξε μια συντονίσιμη πλατφόρμα βασισμένη σε γραφένιο που επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο της αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλη στο φάσμα terahertz (THz) για ανίχνευση Σχετικά με σπάνια φαινόμενα γνωστά ως εξαιρετικά σημεία. Η ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματά της σήμερα στο να γνωρίζεις.


Σύμφωνα με τους ερευνητές, το έργο θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη τεχνολογιών οπτοηλεκτρονικής για τη βελτίωση της παραγωγής φωτός, του ελέγχου, της ανίχνευσης και πιθανώς των επικοινωνιών. Έδειξαν μια μέθοδο για τον έλεγχο των κυμάτων THz, τα οποία βρίσκονται στις συχνότητες μεταξύ μικροκυμάτων και υπέρυθρων κυμάτων. Αυτό το επίτευγμα θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη της ασύρματης τεχνολογίας “μετά 5G” για δίκτυα επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας.

Ισχυρές και αδύναμες αλληλεπιδράσεις

Το φως και η ύλη μπορούν να διασταυρωθούν και να αλληλεπιδράσουν σε διαφορετικά επίπεδα: ασθενώς, καθώς μπορούν να αλληλοσυνδεθούν αλλά δεν αλλάζουν το ένα τα συστατικά του άλλου. Ή επιθετικά, καθώς οι αλληλεπιδράσεις τους μπορούν να αλλάξουν ριζικά το σύστημα. Η ικανότητα ελέγχου του τρόπου με τον οποίο ένας αγωγός μετατρέπεται από αδύναμος σε δυνατός και πάλι πίσω ήταν μια σημαντική πρόκληση για την ανάπτυξη οπτοηλεκτρονικών συσκευών – μια πρόκληση που αναγνωρίζεται πλέον από τους ερευνητές.

«Έχουμε επιδείξει μια νέα κατηγορία οπτοηλεκτρονικών συσκευών που χρησιμοποιούν τις έννοιες της τοπολογίας – έναν κλάδο των μαθηματικών που μελετά τις ιδιότητες των γεωμετρικών αντικειμένων», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Coskun Kocabas, καθηγητής υλικών 2D συσκευών στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ. «Με τη χρήση εξαιρετικών σημείων ιδιομορφιών, δείχνουμε ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν τοπολογικές έννοιες της γεωμετρίας οπτοηλεκτρονικές συσκευές Επιτρέπει νέους τρόπους εργασίας με φως terahertz. “

Η Cocapas συνδέεται επίσης με το Ινστιτούτο Προηγμένων Υλικών Henry Royce, που εδρεύει στο Μάντσεστερ.

Εξαιρετικά σημεία είναι οι φασματικές αποδόσεις – τα σημεία στα οποία συνδυάζονται οποιεσδήποτε δύο φασματικές τιμές σε ένα ανοιχτό σύστημα. Είναι, αναπάντεχα, εξαιρετικά ευαίσθητο και ανταποκρίνεται ακόμη και στις πιο μικρές αλλαγές στο σύστημα, αποκαλύπτοντας παράξενες αλλά επιθυμητές ιδιότητες, σύμφωνα με τον αντίστοιχο συγγραφέα Shaheen K. Özdemir, αναπληρωτής καθηγητής μηχανικής και μηχανικής στο Penn State.

«Σε ένα εξαιρετικό στάδιο, το ενεργειακό τοπίο του συστήματος τροποποιήθηκε σημαντικά, με αποτέλεσμα μειωμένη διάσταση και τοπολογική παραμόρφωση», δήλωσε ο Ozdemir, ο οποίος επίσης ανήκει στο Ινστιτούτο Έρευνας Υλικών του Penn State. «Αυτό με τη σειρά του ενισχύει την απόκριση του συστήματος σε διαταραχές, διαμορφώνει την τοπική πυκνότητα των καταστάσεων με αποτέλεσμα ενισχυμένους ρυθμούς αυθόρμητων εκπομπών και οδηγεί σε μεγάλο αριθμό φαινομένων. Εξαιρετικός έλεγχος σημείων και φυσικές διεργασίες Αυτό που τους συμβαίνει, θα μπορούσε να οδηγήσει σε εφαρμογές για τη βελτίωση των αισθητήρων, της απεικόνισης, των λέιζερ και πολλά άλλα. “

Διαμόρφωση πλατφόρμας

Η πλατφόρμα που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές αποτελείται από έναν συντονιστή THz με βάση το γραφένιο, με ένα ηλεκτρόδιο πύλης από φύλλο χρυσού που σχηματίζει έναν ανακλαστικό κάτω καθρέφτη. Πάνω από αυτό είναι ένα στρώμα γραφενίου ενημερωμένο με ηλεκτρόδια, σχηματίζοντας ένα ρυθμιζόμενο επάνω κάτοπτρο. Υπάρχει ένα μη πτητικό στρώμα υγρού ιοντικού ηλεκτρολύτη μεταξύ των κατόπτρων, το οποίο επιτρέπει τον έλεγχο της ανάκλασης του καθρέφτη με αλλαγή του Εφαρμοσμένη τάση. Στη μέση της συσκευής, ανάμεσα στους καθρέφτες, υπάρχουν σωματίδια άλφα-λακτόζης, ένα κοινό σάκχαρο στο γάλα.

Το σύστημα ελέγχεται από δύο ρυθμιστές. Ανυψώνει κανείς τον κάτω καθρέφτη για να αλλάξει το μήκος της κοιλότητας – για να ρυθμίσει τη συχνότητα συντονισμού για να συσχετίσει το φως με τα συλλογικά μοτίβα δόνησης των μορίων οργανικής ζάχαρης, τα οποία λειτουργούν ως σταθερός αριθμός ταλαντωτών για το σύστημα. Ένας άλλος ρυθμιστής αλλάζει την τάση που εφαρμόζεται στον επάνω καθρέφτη γραφενίου – και μεταβάλλει τις ανακλαστικές ιδιότητες του γραφενίου για να μετατοπίσει τις ανισορροπίες της απώλειας ενέργειας για να ρυθμίσει με ακρίβεια την αντοχή της σύζευξης. Ο λεπτός μικροσυντονισμός μετατρέπει τα ελαφρά σωματίδια terahertz και τα ασθενώς συζευγμένα οργανικά σε ισχυρά συνδεδεμένα σωματίδια terahertz και αντίστροφα.

«Τα εξαιρετικά σημεία αντιστοιχούν στο σημείο τομής μεταξύ του ασθενούς και ισχυρού καθεστώτος σύζευξης του φωτός terahertz με τις συλλογικές μοριακές δονήσεις», είπε ο Özdemir.

Σημείωσε ότι τέτοιες ιδιομορφίες συνήθως μελετώνται και παρατηρούνται στη σύζευξη παρόμοιων τρόπων ή συστημάτων, όπως δύο οπτικών, ηλεκτρονικών ή ακουστικών τρόπων λειτουργίας.

«Αυτό το έργο είναι μια από τις σπάνιες περιπτώσεις όπου αναδεικνύονται εξαιρετικά σημεία στο συνδυασμό δύο στυλ με διαφορετική φυσική προέλευση», είπε η Cocabas. “Λόγω της εξαιρετικής τοπολογίας κουκκίδων, παρατηρήσαμε μια σημαντική διαμόρφωση του μεγέθους και των φάσεων του φωτός terahertz, που θα μπορούσε να βρει εφαρμογές στις επικοινωνίες THz επόμενης γενιάς.”

Πρωτοφανής διαμόρφωση φάσης στο φάσμα THz

Καθώς οι ερευνητές εφαρμόζουν τάση και συντονίζονται στον συντονισμό, οδηγούν το σύστημα σε ένα εξαιρετικό σημείο και όχι μόνο. Πριν και μετά το εξαιρετικό σημείο αλλάζουν οι γεωμετρικές ιδιότητες – η τοπολογία – του συστήματος.

Μια τέτοια αλλαγή είναι η διαμόρφωση φάσης, η οποία περιγράφει πώς αλλάζει το κύμα καθώς διαδίδεται και αλληλεπιδρά στο πεδίο THz. Οι ερευνητές είπαν ότι ο έλεγχος της φάσης και του πλάτους των κυμάτων THz είναι μια τεχνική πρόκληση, αλλά η πλατφόρμα τους δείχνει πρωτοφανή επίπεδα διαμόρφωσης φάσης. Οι ερευνητές κίνησαν το σύστημα μέσω εξαιρετικών σημείων, καθώς και κατά μήκος βρόχων γύρω από εξαιρετικά σημεία σε διαφορετικές κατευθύνσεις, και μέτρησαν πώς ανταποκρίθηκε μέσω αλλαγών. Ανάλογα με την τοπολογία του συστήματος στο σημείο μέτρησης, η διαμόρφωση φάσης μπορεί να κυμαίνεται από μηδέν έως τέσσερα μεγέθη μεγαλύτερη.

«Μπορούμε να προσανατολίσουμε ηλεκτρικά τη συσκευή σε ένα εξαιρετικό σημείο που επιτρέπει τον ηλεκτρικό έλεγχο της τοπολογίας ανάκλασης», δήλωσε ο πρώτος συγγραφέας Μ. Σάιντ Εργοκτάς. «Μόνο με τον ηλεκτρονικό έλεγχο της τοπολογίας του συστήματος μπορούμε να επιτύχουμε αυτές τις τεράστιες τροποποιήσεις».

Σύμφωνα με τους ερευνητές, ο τοπολογικός έλεγχος των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης γύρω από ένα εξαιρετικό σημείο που ενεργοποιείται από την πλατφόρμα που βασίζεται στο γραφένιο έχει πιθανές εφαρμογές που κυμαίνονται από τοπολογικές οπτοηλεκτρονικές και κβαντικές συσκευές έως τοπολογικό έλεγχο φυσικών και χημικών διεργασιών.


Οι επιστήμονες αναπτύσσουν «εξαιρετική» επιφάνεια για να εξερευνήσουν περίεργη φυσική


περισσότερες πληροφορίες:
Τοπολογική γεωμετρία φωτός terahertz χρησιμοποιώντας εξαιρετικά ηλεκτρικά συντονισμένα μεμονωμένα σημεία, να γνωρίζεις (2022). DOI: 10.1126 / abn6528

το απόσπασμα: Ερευνητές Σχεδιάζουν Ηλεκτρικά Συντονίσιμες Συσκευές Γραφενίου για Μελέτη Σπάνιων Φυσικών (2022, 7 Απριλίου), Ανακτήθηκε στις 8 Απριλίου 2022 από τη https://phys.org/news/2022-04-electrically-tunable-graphene-devices-rare. html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από οποιαδήποτε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Η Τζέιν Κάρπεντερ κρεμάστηκε μετά τον ακρωτηριασμό της από σήψη

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *