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 Nature Electronics, исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон, Университета Теннесси и других институтов представили новые фотодетекторы на основе тантала, иридия и теллура (TaIrTe₄) — двумерного коррелированного топологического полуметалла, обладающего выгодными свойствами.
Особенно этот материал демонстрирует сильный нелинейный эффект Холла — физический эффект, который влечёт за собой поперечное напряжение при отсутствии внешнего магнитного поля, нелинейно пропорциональное приложенному электрическому полю или току.
Применение ТГц-технологий
ТГц-технология имеет решающее значение в квантовых информационных технологиях и биомедицинском зондировании, поскольку её 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 препятствует отсутствие одновременного создания чувствительных, широкополосных и быстрых детекторов 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 способны 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.
Исследователи изготовили сенсорные устройства с геометрией Харра с использованием атомарно тонкого TaIrTe₄ и подвергли их воздействию терагерцевого (ТГц) излучения. Они охарактеризовали этот эффект, измерив ТГц-индуцированный фототок и оценив такие показатели производительности устройства, как чувствительность и чувствительность к изменениям. Для оценки скорости 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 изучили симметрию кристалла TaIrTe₄ с помощью метода, известного как спектроскопия генерации второй гармоники (ВГ). Используя этот метод, они наблюдали возникновение коррелированной электронной фазы при низких температурах, что дополнительно улучшило ТГц-ответ их фотодетекторов, то есть повысило их способность быстро и точно обнаруживать ТГц-излучение.
«Кроме того, мы продемонстрировали, что характеристики чувствительности и электронного состояния можно регулировать с помощью электростатического затвора», — сказал Сяо. «Эти комбинированные методы показали перспективность TaIrTe₄ для быстрого, широкополосного и высокочувствительного обнаружения ТГц-излучения при комнатной температуре».
В ходе первоначальных испытаний фотодетекторы, разработанные этой группой исследователей, показали замечательные 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).
«Мы также обнаружили, что чувствительность при нулевом смещении можно повысить примерно в 50 раз (~ 18 А/Вт), когда топологический полуметалл переходит в коррелированное упорядочение зарядов», — сказал Сяо. «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 обнаружения ТГц-излучения, а также, возможно, вдохновить другие команды на создание устройств обнаружения ТГц-излучения с использованием двумерных коррелированных топологических полуметаллов. В своих следующих исследованиях учёные планируют оценить потенциал своих устройств для визуализации и других реальных приложений.
«Наша текущая демонстрация сосредоточена на одном устройстве для обнаружения ТГц-излучения», — добавил Сяо. «Основываясь на этом, мы стремимся разработать крупномасштабные массивы для визуализации и интеллектуальное обнаружение ТГц-излучения путём интеграции алгоритмов машинного обучения с высоко настраиваемыми сенсорными свойствами материала».
© 2025 Science X Network