新闻集锦：
- 我们成功地在芯片上传输了最短的石墨烯等离子体波包（脉冲宽度为 1.2 皮秒（皮秒=1/1 兆秒））
- 我们成功地通过控制等离子体来调制太赫兹电信号的相位和振幅
- 这项成果展示了在电路上控制太赫兹电信号的新方法，有望为实现超高速信号处理做出贡献
东京 – 2024 年 7 月 22 日 – NTT Corporation（总部：东京都千代田区；董事会代表兼总裁：Akira Shimada；以下简称 “NTT”）成功地电生成并控制了石墨烯脉冲的传播：成功地以电子方式产生并控制了最短脉冲宽度为 1.2 皮秒的石墨烯等离子体1 波包2 的传播。这一结果表明，太赫兹信号的相位和振幅可以通过石墨烯等离子体进行电子控制。它使太赫兹信号处理方法有别于使用晶体管的传统电路技术，有望为今后实现超高速信号处理做出贡献。
这项研究由东京大学和国立材料科学研究所（NIMS）共同完成。该研究成果于2024年7月17日发表在英国科学杂志《自然-电子学》上。
图 1 实验示意图
注释：将脉宽为 1.2 皮秒的太赫兹电输入脉冲施加到芯片上的石墨烯上，以产生和传播石墨烯等离子体波包，并以亚皮秒级的时间分辨率测量其实时波形。(hBN：六方氮化硼）
研究背景
太赫兹（THz）区域3 位于光波和无线电波之间，长期以来一直被认为是一个尚未开发的领域。然而，随着近年来太赫兹波的产生和探测技术的飞速发展，利用在自由空间传播的太赫兹波进行高速无线通信、传感和成像正逐渐走向社会。另一方面，太赫兹电信号在电路中的控制技术仍处于发展阶段，一般来说，集成电路所能处理的信号频段仅限于千兆赫（GHz）频段。这表明现有电子技术的简单扩展是有限的，必须探索新的方法来实现更快的信号处理。
这项研究的重点是将石墨烯等离子体作为太赫兹电信号的一种新控制技术。由于石墨烯等离子体可将太赫兹波限制在一个小区域内，并可通过外部电压对波长等特性进行电控制，因此，有关太赫兹波滤波器和传感器应用的研究正在积极开展。如果能够利用这些特性在电路中管理太赫兹电信号，就有可能开发出新的超高速电子技术。起初，人们还不清楚是否有可能在太赫兹区域以电气方式产生和控制石墨烯等离子体。
研究成果
研究小组通过向石墨烯器件注入利用激光脉冲产生的太赫兹区域超短输入脉冲（3.本研究要点(1)和图 2），评估了石墨烯等离子体波包的传播特性和可控性以及等离子体产生效率（3.本研究要点(2)和图 3）。
图 2 (a)：泵浦/探针光谱法与激光脉冲和光电导开关相结合，可在波导上产生和检测太赫兹输入脉冲。(b）：实际测量到的太赫兹输入脉冲。它的脉冲宽度为 1.2 ps，频率分量为 0-2 THz。
图 3 (a)：通过在图 2 (a) 所示的波导上插入石墨烯器件，太赫兹输入脉冲被转换为石墨烯等离子体。(b）：石墨烯器件的横截面图。金顶栅控制石墨烯等离子体的相位和振幅，氧化锌顶栅提高了电脉冲和等离子体之间的转换效率。
因此，以下三点在本次实验中首次变得清晰起来。
(1）我们成功地在芯片上产生、控制和测量了 1.2 皮秒的超短石墨烯等离子体波包（图 4 (a)）。这个脉冲宽度相当于注入前输入脉冲的时间宽度，是目前最短的电激发等离子体波包。这表明太赫兹范围内的电信号可以不失真地传输。
(2) 我们发现等离子体波包的相位和振幅可以通过电调制石墨烯的电荷密度来控制（图 4 (b)）。相位和振幅控制是实现各种信号处理的基本操作，这意味着我们展示了一种处理太赫兹范围内电信号的新器件操作。
图 4 (a)：金属栅极电压为 1.5 V 时石墨烯等离子体波包的实时波形。9ps 后出现的峰值是由于电路中的多重反射造成的。(b）：等离子体波包与栅极电压的关系。等离子信号的振幅随电压变化。此外，信号的传播时间随着接近电荷中性点而增加，表明相位随电压而变化。
(3) 通过优化栅极材料，我们实现了从输入脉冲到石墨烯等离子体波包 35% 的最大转换效率（图 5）。这一数值比传统的光-等离子体转换效率4 高出几个数量级，使得石墨烯等离子体天生适合处理太赫兹区域的电信号。此外，我们还明确了栅电极不仅会显著影响转换效率，还会影响限制效应、传播速度和脉冲宽度。这些发现使得根据预期目的优化器件结构成为可能。
图 5 不同器件的示意图和各等离子体波包特性的比较。根据栅极材料的不同，四种特性差异很大。
在这项研究中，我们与东京大学合作，使用由 NIMS 生长的最高质量的六方氮化硼 (hBN)，在 NTT 制造并测量了一个可保护石墨烯两面的洁净装置。
研究要点
(1) 利用太赫兹电子技术产生和探测超短输入脉冲
利用现有电子技术生成和检测太赫兹区域的电脉冲仍然很困难。我们应用片上太赫兹光谱技术，将飞秒（1/1000 万亿秒）光脉冲与光电导开关相结合，实现了高达 2 太赫兹带宽的电信号的产生和检测。
(2) 石墨烯装置
金栅极的使用使得石墨烯等离子体的产生具有很大的约束效应。此外，通过添加对太赫兹信号透明的氧化锌（ZnO）栅极，可实现高效等离子体激发。
在这项研究中，我们首次在同一器件上集成了（1）和（2）技术，成功实现了超短石墨烯等离子体波包的电学产生、传播控制和检测，并详细了解了它们的特性。
展望
这些结果表明，能够在电路中对太赫兹电信号的相位和振幅进行电气控制的等离子体器件是可以实现的。通过开发这项技术，我们的目标是在太赫兹区域实现更先进的信号处理元件，如变频滤波器、放大器和调制器。这项研究表明，石墨烯等离子体可以用电来处理，但考虑到等离子体也可以由光产生，它可能会带来新的光电融合技术的发展。
我们预计，太赫兹区域信号处理技术的进一步发展将有助于在未来显著提高信息和通信以及计算处理速度。
研究论文信息
Journal Name: Nature Electronics
Title: On-chip transfer of ultrashort graphene plasmon wave packets using terahertz electronics
Authors: Katsuasa Yoshioka, Guillaume Bernard, Taro Wakamura, Masayuki Hashisaka, Ken-ichi Sasaki, Satoshi Sasaki, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Norio Kumada
DOI:https://doi.org/10.1038/s41928-024-01197-x
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