基于石墨烯的材料为未来电信的新应用开辟了道路
发布时间：2023-06-19 08:00:00 阅读数： 14
来自亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心（HZDR）的一个研究小组进行的一项研究表明，可以利用石墨烯基材料将高频信号有效地转化为可见光。
一种基于石墨烯的材料以超快和可控的方式将传入的太赫兹脉冲（来自上方）转化为可见光--这是光纤中数据传输的最佳选择。图片来源：B. Schröder/HZDR
这是与加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所（ICN2）、埃克塞特大学石墨烯科学中心和埃因霍温理工大学合作完成的。
新开发的机制是可调整的和超快的。这样的结果可能为刺激未来信息和通信技术的应用开辟道路。
该研究小组在《纳米通讯》杂志上介绍了他们的发现。
将信号从一个频率系统转换到另一个频率系统的潜力对一些技术很重要，特别是在电信领域，例如，电子设备处理的数据经常作为光信号通过玻璃纤维传输。
为了实现更大的数据传输率，未来的6G无线通信系统将需要把100GHz以上的载波频率扩展到太赫兹范围。
众所周知，太赫兹波是电磁波谱的一部分，属于微波和红外光的范畴。但太赫兹波只能被用来通过高度有限的距离无线传输数据。
因此，将需要一种快速和可控的机制，将太赫兹波转换为可见光或红外光，这可以通过光纤传输。成像和传感技术也可以从这种机制中受益。--伊戈尔-伊利亚科夫博士，德累斯顿罗森多夫赫尔莫茨中心辐射物理研究所
到目前为止，所缺少的是一种有可能将光子能量向上转化1000倍左右的材料。最近，该团队刚刚确定了所谓的狄拉克量子材料，例如石墨烯和拓扑绝缘体，对太赫兹光脉冲的强大非线性响应。
这表现在高效地产生高次谐波，即具有原始激光频率的倍数的光。这些谐波仍在太赫兹范围内，然而，也首次观察到石墨烯在红外和太赫兹激励下的可见光发射。到目前为止，这种效应的效率极低，其背后的物理机制也是未知的。---谢尔盖-科瓦廖夫博士，德累斯顿罗森多夫赫尔莫茨中心辐射物理研究所
背后的机制
新的成果为这一机制提供了一个物理解释，并展示了如何在高掺杂石墨烯的帮助下或通过利用光栅-石墨烯超材料来大力改善光的发射。它是一种具有定制结构的材料，由独特的电、光或磁特性指定。
此外，该研究小组还指出，这种转换发生得非常快--在亚纳秒的时间尺度上，它可以通过静电门控进行调节。
我们将石墨烯中的光频转换归结为太赫兹诱导的热辐射机制，即电荷载体从入射的太赫兹场中吸收电磁能。吸收的能量在材料中迅速分布，导致载流子加热；最后，这导致了可见光谱中的光子发射，与任何加热的物体所发射的光相当。---Klaas-Jan Tielrooij，埃因霍温科技大学ICN2的纳米级系统超快动力学小组教授
在石墨烯基材料中获得的太赫兹到可见光转换的速度和可调谐性，在信息和通信技术中的应用有很大的能力。
基本的超快热力学机制肯定可以对太赫兹到电信的互连产生影响，也可以在任何需要超快频率转换信号的技术中产生影响。
参考资料
Ilyako, I., et al. (2023) Ultrafast Tunable Terahertz-to-Visible Light Conversion through Thermal Radiation from Graphene Metamaterials. Nano Letters. doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00507.
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