(Nanowerk News）来自雷根斯堡大学（德国），MIPT（俄罗斯），堪萨斯大学和麻省理工学院（美国）的研究人员发现磁化石墨烯中对光的异常强烈吸收。当正常的电磁波转换为沿着石墨烯运行的超慢表面波时，会出现这种效应。这种现象可能有助于为未来的电信开发具有高吸收效率的新型超紧凑型信号接收器。
这项工作发表在《Nature Physics》杂志上（”Cyclotron resonance overtones and near-field magnetoabsorption via terahertz Bernstein modes in graphene“）。
实验设置。（图片来源：MIPT）
日常经验告诉我们，光能量收集的效率与吸收器面积成正比。一个明确的迹象是覆盖沙漠的太阳能电池板”场”。物体可以吸收来自比自身更大的区域的辐射吗？事实证明这是真的，当光的频率与吸收器中电子的运动共振时，这是可能的。在这种情况下，辐射吸收的面积在光波长平方的量级上，尽管吸收器本身可以非常小。
例如，氢原子的面积约为埃平方量级。但是，如果它被频率与电子轨道之间的跃迁同步的辐射照亮，则吸收面积可以增加约二十万倍。
共振光吸收现象被主动”驯服”以接收电磁波 – 从射频到紫外线范围。最实用的谐振接收器是天线，金属棒就是最简单的例子。谐振条件需要一定的天线尺寸。敏感的金属天线的尺寸必须与波长相当，如果较小，则会损失很多灵敏度。
例如，提出0.1太赫兹的频率用于6G移动数据传输。这将需要大约3毫米尺寸的天线，在智能手机芯片上占用大而昂贵的区域。因此，研究人员正在寻求制造超紧凑和共振的辐射吸收器。
在这方面，两类共振是有趣和有希望的。两者都在半导体中观察到，半导体已经构成了芯片上数字和模拟电子学的基础。第一种称为等离激元共振，与电子和电磁场从一个样品边界到另一个样品边界的同步运动有关。第二个共振称为回旋加速器共振。当电磁波的频率与磁场中圆形轨道上的电子旋转频率重合时，就会发生这种情况。
这两种共振都已成功通过实验进行研究。然而，迄今为止研究的大多数半导体的吸收增强效果对于实际应用来说都很小。
在目前的工作中，研究了在共振- 回旋加速器和等离子体 – 同时存在的条件下对电磁波的吸收。电磁波的频率选择在一太赫兹附近。首先，由于太赫兹电磁范围的实际重要性，其次，由于在这些频率下观测共振效应的便利性。
太赫兹实验是在雷根斯堡大学进行的。选择的材料是石墨烯，一层碳原子。石墨烯的高电子质量使其中具有长寿命的等离子体振荡。关键是振荡电子可以从一个样品边界传递到另一个样品边界，而不会遇到杂质。
石墨烯的磁化将电子”旋转”到轨道上，从而为回旋加速器共振创造了条件。在很小的场值下 – 大约一特斯拉 – 回旋共振的频率下降到所需的太赫兹范围内。在实验中，石墨烯被太赫兹激光器的辐射照亮。吸收的光越多，石墨烯升温越多，其电阻变化就越大。因此，石墨烯在光的影响下电阻的变化是其吸收能力的量度。
该实验的惊人结果是石墨烯以回旋加速器共振频率的两倍对辐射的超强吸收。传统回旋加速器频率下的信号相对较小。将实验与理论进行详细比较表明，强吸收是由于双回旋加速器和等离子体共振的相互作用（”杂交”）。在双回旋加速器共振的频率附近，等离子体波急剧减慢 – 它们的速度下降到几乎为零。入射在石墨烯上的光被捕获并转化为超慢的表面波;这种波被”捕获”在石墨烯中并停留在那里，直到它们被吸收。
“当慢速表面波被激发时，吸收增强的事实已经知道了很长一段时间，”该论文的主要作者Denis Bandurin说，”然而，以前认为半导体中的表面波不能比在波中移动的电子慢。对于石墨烯，电子的速度比光速慢300倍左右。我们的研究表明，光冻结实际上没有限制，当一个小磁场打开时，它可以减慢到完全停止。
石墨烯的一个不寻常的特性是它结合了三个角色 – 天线，吸收器和光电流发生器。通常，在半导体工程中，这些角色被分配到不同的材料和不同的设备。同时，在极小（亚波长）器件尺寸下可以实现石墨烯中的强吸收。
“我们预计磁场中的石墨烯可能被证明是一种超级吸收剂，”MIPT光子学和2D材料中心2d材料实验室负责人Dmitry Svintsov评论道，”也就是说，它不仅可以捕获大于其几何尺寸的区域的光。它将能够捕获来自大于波长平方的区域的光。磁化石墨烯中等离激元的异常低速为此创造了所有先决条件。
“在这项研究中，石墨烯被证明是观察异常强太赫兹吸收的非常方便的平台，”论文的主要作者Sergey Ganichev教授（雷根斯堡大学）评论道，”然而，这种现象的可观察性不仅限于石墨烯 – 许多天然材料和基于它们的纳米结构支持超慢表面波。
研究小组的近期目标之一是制造不需要低温和强磁场的紧凑型超级吸收器。
资料来源：莫斯科物理与技术研究所
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