Technologia terahercowa (THz) jest przydatna w zastosowaniach takich jak obrazowanie biomedyczne, telekomunikacja i zaawansowane systemy wykrywania. Jednakże ze względu na wyjątkową naturę fal elektromagnetycznych w zakresie 0,1 do 10 teraherców, trudno było opracować komponenty o wysokiej wydajności, które demonstrowałyby prawdziwy potencjał technologii terahercowej. Nawet projektowanie części zasadniczo bezkomponentowych, takich jak filtry i pochłaniacze, pozostaje ogromnym wyzwaniem.
Na szczęście rozwój metamateriałów może prowadzić do innowacyjnych rozwiązań tych problemów. Dzięki postępom w technologiach wytwarzania i przetwarzania możliwe jest obecnie wytwarzanie dwuwymiarowych (2D) wzorzystych mikrostruktur o unikalnych właściwościach elektromagnetycznych w zakresie terahercowym, umożliwiających niespotykaną dotąd kontrolę sygnałów na tych częstotliwościach.
Chociaż dla materiałów pochłaniających fale zaproponowano różnorodne metamateriały 2D (lub „hiperpowierzchnie”), większość z nich nadal ma poważne ograniczenia. Powszechnym problemem jest to, że po zidentyfikowaniu i wytworzeniu modów strukturalnych materiału pochłaniającego nadpowierzchnię, jego właściwości elektromagnetyczne zostają ustalone.
Ta niemożność dostrajania ogranicza możliwe zastosowania takich urządzeń. Z drugiej strony, chociaż istnieją przestrajalne absorbery hiperpowierzchniowe na bazie metalu, odradza się stosowanie cienkich warstw metalu. Wynika to z kilku wad, takich jak trudność w wytwarzaniu niezbędnych konstrukcji i słaba wydajność wynikająca z nieodłącznych właściwości metali.
W tym kontekście zespół dr Wenhana Cao z Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Szanghaju opracował nowatorski, przestrajalny absorber metapowierzchniowy na bazie węgla, o ultraszerokim przestrajalnym paśmie w zakresie terahercowym. Wyniki badań kierowanych przez dr Wenhana Cao opublikowano niedawno w czasopiśmie Advanced Photonics Nexus.
„Rdzeń absorbera wykorzystuje mikrostruktury grafenu i grafitu jako rezonatory, a warstwy grafitu jako powierzchnie odbijające wstecz”. Dr Wenhan Cao wyjaśnia: „Powtarzające się podjednostki (lub «ogniwa») tego terahercowego metapowierzchniowego absorbera zostały strategicznie zaprojektowane w celu optymalizacji wydajności absorpcji w oparciu o cztery główne czynniki: geometrię, właściwości materiału, czułość na polaryzację i mechanizm strojenia”.
Pod względem geometrycznym absorber składa się z trzech cienkich warstw. Górna warstwa to wzorzysta warstwa przewodząca zawierająca koncentryczne pierścienie grafitowe połączone drutami grafenowymi; druga warstwa to prosty dielektryk, który pomaga rozproszyć niepożądane fale elektromagnetyczne; a trzecia warstwa to warstwa pochłaniająca, która zapobiega przedostawaniu się fal terahercowych bezpośrednio przez urządzenie, maksymalizując w ten sposób skuteczność absorpcji.
Dobór materiałów i konstrukcja geometryczna absorbera zostały zoptymalizowane poprzez analizę numeryczną i symulację, co przyczyniło się do jego niezwykłej absorpcji w zakresie terahercowym. Warto zauważyć, że kluczową właściwością proponowanego absorbera jest jego przestrajalność, która wynika z przestrajalnych poziomów energii Fermiego. Parametr ten ma kluczowe znaczenie w materiałach i technologii półprzewodników, gdyż determinuje rozkład elektronów na różnych poziomach energii.
Przykładając napięcie do warstwy grafenu, można zmienić jej poziom energii Fermiego, a tym samym łatwo dostosować szerokość pasma absorpcji. Dr Wenhan Cao podkreślił: „Przy poziomie energii Fermiego wynoszącym 1 eV proponowany absorber może osiągnąć zdumiewająco szerokie pasmo 8,99 THz, zapewniając ponad 90% absorpcji w zakresie częstotliwości od 7,24 do 16,23 THz, z dwoma odrębnymi szczytami rezonansowymi przy 8,35 THz i 14,70 THz.”
Kolejną istotną zaletą proponowanej konstrukcji jest jej niewrażliwość na kąt polaryzacji padającego promieniowania. Zastosowanie koncentrycznych okręgów w komórce absorbera w naturalny sposób zapewnia tę korzystną właściwość. Okrąg, będący idealnie symetrycznym kształtem, pozwala absorberowi zachować wysoki współczynnik absorpcji przy kątach padania do 50 stopni.
Krótko mówiąc, wiele zalet proponowanej konstrukcji w połączeniu z jej prostotą stanowi prawdziwy przełom w technologii terahercowej. zwiększa jego zastosowanie.Te zalety przewyższają inne zgłaszane absorbery.
W najbliższej przyszłości urządzenia terahercowe staną się częścią codziennej technologii, szczególnie w takich dziedzinach, jak medycyna i komunikacja, a także w dziedzinach bardziej zorientowanych na badania, takich jak inżynieria materiałowa i biologia.
