Терагерцевое излучение (ТГц) — это электромагнитное излучение с частотами от 0,1 до 10 ТГц. Оно может быть использовано для разработки различных новых технологий, включая системы визуализации и связи. Однако до сих пор отсутствие быстрых и чувствительных детекторов, способных обнаруживать излучение в широком диапазоне частот, ограничивало развитие этих технологий.
В недавней статье, опубликованной в журнале Nature Electronics, исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон, Университета Теннесси и других институтов представили новые фотодетекторы на основе тантала, иридия и теллура (TaIrTe₄). Этот двумерный топологический полуметалл с коррелированными свойствами обладает рядом преимуществ.
Особенно стоит отметить, что этот материал демонстрирует сильный нелинейный эффект Холла — физическое явление, которое включает поперечное напряжение в отсутствие внешнего магнитного поля, нелинейно пропорциональное приложенному электрическому полю или току.
Почему ТГц-технологии важны?
Терагерцевые технологии имеют решающее значение для квантовых информационных технологий и биомедицинского зондирования, поскольку их частота резонирует с низкоэнергетическими коллективными возбуждениями в квантовых материалах и молекулярными колебаниями в биологических объектах.
Кроме того, сверхвысокая пропускная способность ТГц-диапазона может обеспечить желаемую высокоскоростную беспроводную связь. Однако широкому применению ТГц-технологий препятствовало отсутствие одновременного чувствительного, широкополосного и быстрого обнаружения ТГц-излучения в современных детекторах, таких как тепловые болометры и электронные диоды Шоттки.
Новые фотодетекторы
Существующие фотодетекторы, способные обнаруживать ТГц-излучение, либо слишком медленные, недостаточно чувствительные, либо могут обнаруживать сигналы только на некоторых частотах. Сяо и его коллеги поставили перед собой задачу разработать новые фотодетекторы на основе альтернативных материалов, которые могли бы преодолеть ограничения ранее созданных устройств, демонстрируя хорошую чувствительность, высокую скорость и широкую полосу пропускания.
Для этого они изготовили датчики геометрии Хар с использованием атомарно тонкого TaIrTe₄ и подвергли их воздействию ТГц-излучения. Они охарактеризовали этот эффект, измерив ТГц-индуцированный фототок и оценив такие показатели производительности устройства, как чувствительность и чувствительность к изменениям.
Чтобы оценить скорость отклика, они провели сверхбыстрые измерения автокорреляции с использованием фемтосекундных лазерных импульсов ТГц, выявив внутреннюю динамику на пикосекундном уровне.
В рамках своего исследования Сяо и его коллеги также исследовали кристаллическую симметрию TaIrTe₄ с помощью метода, известного как генерация второй гармоники (ВГ) спектроскопия. Используя этот метод, они наблюдали возникновение коррелированной электронной фазы при низких температурах, что дополнительно улучшило ТГц-ответ их фотодетекторов, то есть улучшило их способность быстро и точно обнаруживать ТГц-излучение.
Сяо также отметил, что чувствительность и электронное состояние можно регулировать с помощью электростатического управления.
Результаты испытаний
В ходе начальных испытаний фотодетекторы, разработанные этой группой исследователей, продемонстрировали выдающиеся результаты. При комнатной температуре они достигли большой чувствительности при нулевом смещении (~ 0,3 А/Вт), сверхнизкого уровня шума (~ пВт/Гц¹/²), широкополосного ТГц-ответа (от 0,1 до 10 ТГц) и сверхбыстрой внутренней скорости (~ пс).
Сяо также сообщил, что чувствительность при нулевом смещении можно увеличить примерно в 50 раз (~ 18 А/Вт), когда топологический полуметалл переходит в состояние с коррелированным упорядочением зарядов.
Благодаря новой топологической физике и квантовым свойствам, продемонстрированные показатели устройства демонстрируют огромные преимущества по сравнению с достижимыми ТГц-детекторами на основе других двумерных материалов и традиционных технологий.
В будущем фотодетекторы, разработанные Сяо и его коллегами, могут способствовать развитию технологий ТГц-зондирования, а также, возможно, вдохновить другие команды на создание устройств ТГц-зондирования с использованием двумерных топологических полуметаллов с коррелированными свойствами.
В своих следующих исследованиях учёные планируют оценить потенциал своих устройств для визуализации и других практических применений.
«Наша текущая демонстрация сосредоточена на одном устройстве ТГц-зондирования», — добавил Сяо. «Опираясь на это, мы стремимся разработать крупномасштабные массивы визуализации и интеллектуальное ТГц-зондирование путём интеграции алгоритмов машинного обучения с высоко настраиваемыми сенсорными свойствами материала».
© 2025 Science X Network