Графеновые конденсаторы обеспечивают быструю и глубокую модуляцию терагерцевых волн

Исследователи из лаборатории Кавендиша Кембриджского университета продемонстрировали новый способ управления излучением в терагерцевом диапазоне — малоизученной части электромагнитного спектра — с беспрецедентным динамическим диапазоном и скоростью. Полученные результаты могут открыть путь к передовым технологиям в области связи, визуализации и сенсорики и знаменуют значительный прогресс в разработке практических устройств, работающих в терагерцевом диапазоне.

Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41377-025-01945-4) в журнале Light: Science & Applications.

Терагерцевый диапазон

Терагерцевый диапазон находится между микроволнами и инфракрасным излучением в электромагнитном спектре. Несмотря на потенциал терагерцевых волн во многих областях, например, в проходных сканерах безопасности в аэропортах и для обнаружения рака кожи, эффективно управлять терагерцевыми волнами сложно. Это связано с тем, что длина волны терагерцевого излучения в десятки тысяч раз меньше по сравнению с радиоволнами, и традиционные методы здесь неэффективны.

Однако возможность манипулировать терагерцевыми волнами очень важна, особенно для связи, где сигнал данных должен быть закодирован на волне для передачи информации.

«Представьте, как вы слушаете старое аналоговое радио, работающее на гораздо больших длинах волн: вы поворачиваете ручку, чтобы настроиться на нужную станцию. Внутри радио вы регулируете конденсатор, чтобы радио приняло частоту нужной вам станции», — объяснил доктор Владислав Михайлов, который руководил исследованием в лаборатории Кавендиша и является младшим научным сотрудником Тринити-колледжа. «Эта концепция настройки очень полезна во многих устройствах, но из-за того, что длина волны терагерцевого излучения настолько мала, нам пришлось придумать новую концепцию для реализации настройки в терагерцевом диапазоне».

Конденсаторы и модуляторы

Конденсаторы — это компоненты, которые накапливают и высвобождают электрическую энергию. Регулируя количество заряда, которое может удерживать каждый конденсатор (свойство, называемое ёмкостью), можно настроить частоту устройств, таких как детекторы или модуляторы.

В терагерцевом диапазоне исследователи реализовали модуляторы с использованием метаматериалов. Метаматериалы используют тот же принцип, который способствует, например, ярким цветам бабочек в природе, но лежащая в их основе физика работает в терагерцевом диапазоне так же хорошо.

Метаматериалы — это массивы крошечных резонаторов, меньших длины волны излучения, которые настроены на резонирование на определённой частоте. Внедряя в них проводящий материал, такой как двумерный материал графен, можно настроить оптический отклик таких материалов — так можно реализовать модуляторы.

Обычно графен используется в таких устройствах в качестве переменного резистора; наноразмерные промежутки внутри резонаторов замыкаются с помощью графена. Это гасит резонанс, и в результате изменяется сила передаваемого излучения.

«Но этот подход не очень эффективен, поскольку просто вызывает коллапс резонанса. Это всё равно что надеть на флейту носок, вместо того чтобы играть на флейте», — сказал Владислав. «Вместо подавления резонанса мы создали сверхтонкие настраиваемые конденсаторы из графена. Это позволяет нам вместо этого сдвигать резонанс так, как мы хотим — как играть мелодию на флейте».

В своём исследовании учёные создали ультрамаленькие патчи из графена и поместили их внутрь каждой крошечной структуры или резонатора массива в метаматериале. Эти патчи из графена невероятно малы, их ширина менее микрона (это тысячная доля миллиметра), и они служат в качестве настраиваемых конденсаторов, работающих на наноуровне.

Исследователи также сконструировали устройства так, чтобы они отражали сигналы от своей задней поверхности, что сделало их работу ещё лучше.

«Таким образом, нам удалось достичь глубины модуляции более чем на четыре порядка», — сказала доктор Руцяо Ся, которая создала и измерила устройства во время своей докторской диссертации в лаборатории Кавендиша. «Это одно из самых высоких значений, когда-либо зарегистрированных в терагерцевом диапазоне».

Более того, продемонстрированные устройства также работают быстро. Обычно легко реализовать большую модуляцию с низкой скоростью или малую модуляцию с высокой скоростью, но не вместе. Эти новые устройства достигают беспрецедентной глубины модуляции интенсивности (>99,99%) в сочетании со скоростью уже 30 МГц.

«Производительность наших устройств значительно превосходит многие аналогичные технологии модуляции, и благодаря использованию метаматериалов мы можем адаптировать конструкцию для использования во всём терагерцевом диапазоне», — уточнила Руцяо.

Помимо непосредственного улучшения производительности, команда считает, что их разработка может повлиять на многие будущие технологии.

«Изменяя конструкцию наноразмерного промежутка в любом метаматериале, основанном на резонаторе, вы можете значительно повлиять на оптический отклик и, следовательно, повысить эффективность модуляции», — пояснил Владислав. «Подход, который мы здесь применили, может быть применён ко многим другим типам модуляторов на основе метаматериалов».

Технологии терагерцевого диапазона всё ещё находятся на ранних стадиях развития, но их потенциал быстро растёт.

«Терагерцовые волны могут иметь множество применений в спектроскопии материалов, досмотре, фармацевтике, медицине и терагерцовой связи. Аспект, на котором мы сосредоточены в нашем текущем проекте Teracom, — это разработка будущих систем связи», — сказал профессор Дэвид Ричи, руководитель группы физики полупроводников в лаборатории Кавендиша. «Эти результаты — большой шаг вперёд к реализации коммуникационных систем следующего поколения, за пределами эры 5G и 6G».

Команда сотрудничала с коллегами из Департамента инженерии Кембриджского университета, Лондонского университета королевы Марии и Университета Аугсбурга, Германия.

Источник