超薄金薄片可极大地放大下面的石墨烯层中传入的太赫兹脉冲（红色），从而实现有效的倍频。
在电磁频谱上，太赫兹光位于红外辐射和微波之间。它对明天的技术具有巨大的潜力：除其他事项外，它可以通过实现极快的移动通信连接和无线网络来成功实现5G。从千兆赫兹到太赫兹频率的转换瓶颈是由于效率和效率不足造成的。由Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）参与的德国-西班牙研究小组现已开发出一种材料系统，该系统可以比以前更有效地产生太赫兹脉冲。它基于石墨烯，即涂有金属层状结构的超薄碳片。该研究小组在ACS Nano杂志上介绍了其结果。
不久前，从事HZDR加速器ELBE的专家团队能够证明石墨烯可以充当倍频器：当用低太赫兹频率范围的光脉冲照射二维碳时，这些光脉冲将转换为更高的频率。迄今为止，问题在于，要有效地产生这种太赫兹脉冲，就需要极强的输入信号，而这些信号又只能由满量程的粒子加速器产生。“显然，这对于将来的技术应用是不切实际的。”研究的主要作者HZDR辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert。“因此，我们正在寻找一种材料系统，该系统也可以使用较少的暴力输入，即具有较低的场强。”
为此，HZDR科学家与加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所（ICN2），光子科学研究所（ICFO），比勒费尔德大学，柏林工业大学和位于美因兹的马克斯·普朗克聚合物研究所的同事们，提出了一个新的想法：可以通过在石墨烯上涂上具有引人入胜特性的微小金薄片来极大地提高频率转换：ICN2的项目协调员Klaas-Jan Tielrooij解释说：“它们就像天线一样，极大地放大了石墨烯中进入的太赫兹辐射。”“因此，我们获得了非常强的电场，石墨烯在薄片之间暴露。这使我们能够非常高效地生成太赫兹脉冲。”
令人惊讶的有效倍频
为了测试这个想法，来自巴塞罗那ICN2的团队成员制作了以下示例：首先，他们将单个石墨烯层施加到玻璃载体上。在其顶部，他们气相沉积了一层超薄的氧化铝绝缘层，然后沉积了一条金条。然后将样品送到位于德累斯顿-罗森多夫（Dresden-Rossendorf）的TELBE太赫兹工厂，在那里用低太赫兹范围（0.3至0.7 THz）的光脉冲击中样品。在此过程中，专家使用特殊的检测器来分析涂有金薄片的石墨烯如何有效地增加入射辐射的频率。
“效果非常好。”谢尔盖·科瓦廖夫（Sergey Kovalev）很高兴向大家报告。他负责HZDR的TELBE设施。“与未经处理的石墨烯相比，足够弱的输入信号足以产生倍频信号。”用数字表示，只有最初要求的场强的十分之一足以观察到倍频。在技术上相关的低场强下，由于采用了新的材料系统，转换后的太赫兹脉冲的功率要强一千倍以上。单个片层越宽，暴露的石墨烯面积越小，这种现象越明显。最初，专家们能够将输入频率提高三倍。后来，他们获得了更大的效果-输入频率提高了5倍，7倍甚至9倍。
兼容芯片技术
这提供了非常有趣的前景，因为直到现在，科学家们仍需要大型，复杂的设备（例如加速器或大型激光器）来产生太赫兹波。由于采用了这种新材料，完全有可能通过电输入信号，即以更少的精力，实现从千兆赫兹到太赫兹的飞跃。“我们的基于石墨烯的超材料将与当前的半导体技术完全兼容，” Deinert强调说。“原则上，它可以集成到普通芯片中。”他和他的团队已经证明了新工艺的可行性–现在可以在特定的装配体中实施。
潜在的应用可能是巨大的：由于太赫兹波具有比当今使用的千兆赫兹移动通信频率更高的频率，因此它们可以用于传输更多的无线数据-5G将变成6G。但是，太赫兹范围也受到其他领域的关注，例如，从工业中的质量控制和机场的安全扫描仪到材料研究中的各种科学应用。
参考：Jan-Christoph Deinert，David Alcaraz Iranzo，RaúlPérez，贾小雨，Hassan A. Hafez，Igor Ilyakov，Nilesh Awari，Min Chen，Mohammed Bawatna，Alexey N. Ponomaryov撰写的“光栅石墨烯超材料作为太赫兹非线性光子学的平台” ，Semyon Germanskiy，Mischa Bonn，Frank HLKoppens，德米特里·图尔琴诺维奇（Dmitry Turchinovich），迈克尔·根施（Michael Gensch），谢尔盖·科瓦列夫（Sergey Kovalev）和克拉斯·简·蒂尔罗瓦伊（Klaas-Jan Tielrooij），2020年12月11日，ACS Nano.DOI：
10.1021 / acsnano.0c08106
