Forscher konstruieren elektrisch abstimmbare Graphengeräte, um seltene Physik zu untersuchen

Ein internationales Team unter der gemeinsamen Leitung von Forschern des National Graphene Institute (NGI) der Universität Manchester in Großbritannien und des Penn State College of Engineering in den USA hat eine abstimmbare Plattform auf Graphenbasis entwickelt, die eine feine Kontrolle über die Interaktion ermöglicht zwischen Licht und Materie im Terahertz (THz)-Spektrum, um seltene Phänomene aufzudecken, die als außergewöhnliche Punkte bekannt sind. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse heute in Wissenschaft.

Laut den Forschern könnte die Arbeit optoelektronische Technologien voranbringen, um Licht und möglicherweise Kommunikation besser zu erzeugen, zu steuern und zu erfassen. Sie demonstrierten einen Weg zur Kontrolle von THz-Wellen, die bei Frequenzen zwischen denen von Mikrowellen und Infrarotwellen existieren. Das Kunststück könnte zur Entwicklung der drahtlosen Technologie „über 5G hinaus“ für Hochgeschwindigkeitskommunikationsnetze beitragen.

Schwache und starke Wechselwirkungen

Licht und Materie können sich koppeln und auf verschiedenen Ebenen interagieren: schwach, wo sie möglicherweise korrelieren, aber die Bestandteile des anderen nicht verändern; oder stark, wo ihre Wechselwirkungen das System grundlegend verändern können. Die Fähigkeit zu steuern, wie sich die Kopplung von schwach zu stark und wieder zurück verschiebt, war eine große Herausforderung für die Weiterentwicklung optoelektronischer Geräte – eine Herausforderung, die Forscher jetzt gelöst haben.

„Wir haben eine neue Klasse von optoelektronischen Geräten unter Verwendung von Konzepten der Topologie demonstriert – ein Zweig der Mathematik, der die Eigenschaften geometrischer Objekte untersucht“, sagte Co-Korrespondenzautor Coskun Kocabas, Professor für 2D-Gerätematerialien an der Universität Manchester. „Anhand außergewöhnlicher Punktsingularitäten zeigen wir, dass topologische Konzepte verwendet werden können, um optoelektronische Geräte zu entwickeln, die neue Wege zur Manipulation von Terahertz-Licht ermöglichen.“

Kocabas ist auch mit dem Henry Royce Institute for Advanced Materials mit Hauptsitz in Manchester verbunden.

Ausnahmepunkte sind spektrale Singularitäten – Punkte, an denen zwei beliebige Spektralwerte in einem offenen System zusammenfließen. Es überrascht nicht, dass sie außergewöhnlich empfindlich sind und selbst auf die kleinsten Änderungen am System reagieren, wobei sie merkwürdige, aber wünschenswerte Eigenschaften offenbaren, so Co-Korrespondenzautor Şahin K. Özdemir, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Penn State.

„An einem außergewöhnlichen Punkt wird die Energielandschaft des Systems erheblich verändert, was zu einer reduzierten Dimensionalität und einer verzerrten Topologie führt“, sagte Özdemir, der auch dem Materials Research Institute der Penn State angehört. „Dies wiederum verstärkt die Reaktion des Systems auf Störungen, modifiziert die lokale Zustandsdichte, was zu einer Erhöhung der spontanen Emissionsraten führt, und führt zu einer Fülle von Phänomenen. Die Kontrolle über außergewöhnliche Punkte und die physikalischen Prozesse, die an ihnen ablaufen, könnte zu Anwendungen für bessere Sensoren, Bildgebung, Laser und vieles mehr führen.“

Zusammensetzung der Plattform

Die von den Forschern entwickelte Plattform besteht aus einem abstimmbaren THz-Resonator auf Graphenbasis mit einer Goldfolien-Gate-Elektrode, die einen unteren reflektierenden Spiegel bildet. Darüber befindet sich eine Graphenschicht mit Elektroden, die einen abstimmbaren oberen Spiegel bilden. Zwischen den Spiegeln befindet sich eine nichtflüchtige ionische flüssige Elektrolytschicht, die eine Steuerung des Reflexionsvermögens des oberen Spiegels durch Änderung der angelegten Spannung ermöglicht. In der Mitte des Geräts, zwischen den Spiegeln, befinden sich Alpha-Laktose-Moleküle, ein Zucker, der häufig in Milch vorkommt.

Das System wird von zwei Einstellern gesteuert. Man hebt den unteren Spiegel an, um die Länge des Hohlraums zu verändern – und stellt die Resonanzfrequenz so ein, dass das Licht mit den kollektiven Schwingungsmoden der organischen Zuckermoleküle gekoppelt wird, die als feste Anzahl von Oszillatoren für das System dienen. Der andere Einsteller ändert die an den oberen Graphenspiegel angelegte Spannung – wodurch die Reflexionseigenschaften des Graphens verändert werden, um die Energieverlustungleichgewichte zur Anpassung der Kopplungsstärke umzuwandeln. Die feine Feinabstimmung verschiebt schwach gekoppeltes Terahertz-Licht und organische Moleküle zu stark gekoppelten und umgekehrt.

„Außergewöhnliche Punkte fallen mit dem Kreuzungspunkt zwischen den schwachen und starken Kopplungsregimen von Terahertz-Licht mit kollektiven Molekülschwingungen zusammen“, sagte Özdemir.

Er stellte fest, dass diese Singularitätspunkte typischerweise bei der Kopplung analoger Moden oder Systeme untersucht und beobachtet werden, wie z. B. zwei optische Moden, elektronische Moden oder akustische Moden.

„Diese Arbeit ist einer der seltenen Fälle, in denen gezeigt wird, dass außergewöhnliche Punkte in der Kopplung zweier Modi mit unterschiedlichen physikalischen Ursprüngen auftauchen“, sagte Kocabas. „Aufgrund der Topologie der außergewöhnlichen Punkte beobachteten wir eine signifikante Modulation in der Stärke und Phase des Terahertz-Lichts, die Anwendungen in der THz-Kommunikation der nächsten Generation finden könnte.“

Beispiellose Phasenmodulation im THz-Spektrum

Wenn die Forscher Spannung anlegen und die Resonanz einstellen, treiben sie das System an einen außergewöhnlichen Punkt und darüber hinaus. Vor, am und jenseits des Ausnahmepunktes ändern sich die geometrischen Eigenschaften – die Topologie – des Systems.

Eine solche Änderung ist die Phasenmodulation, die beschreibt, wie sich eine Welle ändert, während sie sich ausbreitet und im THz-Feld interagiert. Die Kontrolle der Phase und Amplitude von THz-Wellen ist eine technologische Herausforderung, sagten die Forscher, aber ihre Plattform zeigt beispiellose Niveaus der Phasenmodulation. Die Forscher bewegten das System durch außergewöhnliche Punkte sowie entlang von Schleifen um außergewöhnliche Punkte in verschiedene Richtungen und maßen, wie es auf die Änderungen reagierte. Abhängig von der Topologie des Systems am Messpunkt kann die Phasenmodulation zwischen null und vier Größenordnungen größer sein.

„Wir können das Gerät durch einen außergewöhnlichen Punkt elektrisch steuern, was eine elektrische Steuerung der Reflexionstopologie ermöglicht“, sagte Erstautor M. Said Ergoktas. „Nur durch die elektronische Steuerung der Topologie des Systems konnten wir diese enormen Modulationen erreichen.“

Laut den Forschern hat die topologische Kontrolle von Licht-Materie-Wechselwirkungen um einen außergewöhnlichen Punkt herum, die durch die graphenbasierte Plattform ermöglicht wird, potenzielle Anwendungen, die von topologischen optoelektronischen und Quantengeräten bis zur topologischen Kontrolle physikalischer und chemischer Prozesse reichen.