Science：石墨烯，如何构建光电器件？

第一作者：M. Said Ergoktas

通讯作者：Coskun Kocabas、Sahin K. Ozdemir

通讯单位：曼彻斯特大学、宾夕法尼亚州立大学

在异常点相邻的分支奇点c产生的拓扑结构为控制光的传播提供一种调控方法。有鉴于此，曼彻斯特大学CoskunKocabas、宾夕法尼亚州立大学Sahin K. Ozdemir等使用石墨烯构建光学器件，通过电控制方式在室温调控太赫兹区间的光与乳酸分子的相互作用。当器件穿过奇点，通过门控电压控制太赫兹脉冲光的强度和相位。这种电化学调控体系能够导致能量变化情况复杂的Riemann表面重构，调节损耗不平衡和频率失谐，能够控制光的拓扑结构。

光与物质间的弱相互作用/强相互作用

图1.构建了在奇点附近控制的光学器件，对太赫兹区间光和物质之间的相互作用进行精确调控，这种器件结构能应用于超越5G无线技术的快速通讯网络

光和物质之间能够产生不同程度的耦合和相互作用：当相互作用较弱时，光和物质之间能够产生关联，但是不会相互影响成分；当相互作用较强时，光和物质之间的相互作用能够完全改变系统。

通过光电器件控制光和物质之间的相互作用强度，实现在弱相互作用和强相互作用之间转变是个非常重大的挑战。

在这项工作中，作者基于拓扑学奇点构建了一种新型光电器件，实现了在拓扑学奇点调节太赫兹区间的光（对光的强度、相位等参数进行调节）。

奇点效应

图2.器件的光谱表征 (A) 器件在周期性方波电压脉冲的实现时间分辨反射频率图 (B-C) 太赫兹脉冲反射时间分辨强度变化图和相位变化图(D) 器件的计算Fresnel反射结果，计算结果与实验结果相符

在光谱学奇点，开放体系的任意两个光谱的数值都能够合并，因此在这个奇点检测能够对体系中微弱的变化产生敏感响应。

在奇点上体系的能量变化轨迹发生显著改变，产生维度降低和扭曲的拓扑结构，因此奇点对扰动产生更强的响应，影响局部态密度并且产生更强的自发辐射率，产生增幅。通过控制奇点和奇点的物理过程，可以构建高性能传感器、成像仪、激光器。

搭建器件

图3. (A)乳酸微晶-石墨烯晶体管器件结构(B) 数值模拟 (C) 器件光耦合系统的超模式 (D-E) 乳酸、电解液构建石墨烯晶体管对太赫兹区间光的反射 (F) 石墨烯晶体管器件电压调控导致损耗不平衡和频率失谐

通过石墨烯构建了可调控的太赫兹谐振器，Au箔门电极作为反射镜。使用连接电极的石墨烯层放置在顶部，形成可调的顶镜。在镜子之间的区域加入非易失性离子电解液α-乳糖分子，从而能够通过调节电压实现控制顶镜反射率。

器件控制。通过两个调节器对该体系进行控制，一个调节器用于提高底镜的位置，调节空腔的长度改变谐振腔的频率，实现光与有机乳糖分子集体振动模式耦合，作为体系固定的振荡器。另一个调节器用于调节石墨烯顶镜的电压，调节石墨烯的反射率，实现转换能量损失的不平衡现象实现调控耦合强度。因此这种方式能够实现太赫兹和有机分子在弱耦合和强耦合之间转变。

太赫兹区间相位调控

这个器件通过调节电压和共振强度，能够在奇点附近变化，因此拓扑几何性质得以改变，比如能够调控相位。虽然相位和振幅的调控是个具有较大挑战性的课题，这种结构器件实现了前所未有的相位调控能力，能够在0-4个数量级之间调控。

这种在奇点附近调控光-物质相互作用的拓扑结构，展示了石墨烯结构器件在拓扑光电子学、量子器件、物理/化学处理器的拓扑控制等领域的应用前景。这项工作能够用于发展新型光电器件和控制光的生成、控制、传感，同样能够用于通讯领域，工作通过控制太赫兹（微波~近红外之间）区间的光，能用于发展比5G无线网络更加快速的通讯网络技术。

参考文献

M. Said Ergoktas, Sina Soleymani, Nurbek Kakenov,Kaiyuan Wang, Thomas B. Smith5, Gokhan Bakan, Sinan Balci, Alessandro Principi,Kostya S. Novoselov, Sahin K. Ozdemir*, Coskun Kocabas*, Topologicalengineering of terahertz light using electrically tunable exceptional pointsingularities, Science 376, 184–188 (2022)

DOI: 10.1126/science.abn6528

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn6528

Electrically tunable graphene devices to study rare physics