用于未來電信的石墨烯超快可調(diào)太赫茲到可見光轉(zhuǎn)換

HZDR輻射物理研究所、ICN2納米級(jí)系統(tǒng)超快動(dòng)力學(xué)小組、埃克塞特大學(xué)石墨烯科學(xué)中心和埃因霍溫理工大學(xué)的研究人員進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，石墨烯基的材料可用于有效地將高頻信號(hào)（在太赫茲范圍內(nèi)）轉(zhuǎn)換為可見光，并且這種機(jī)制是可調(diào)的。這些成果為未來信息和通信技術(shù)的應(yīng)用開辟了道路。

將信號(hào)從一種頻率轉(zhuǎn)換為另一種頻率的能力是各種技術(shù)的關(guān)鍵，特別是在電信領(lǐng)域，例如，電子設(shè)備處理的數(shù)據(jù)往往作為光信號(hào)通過光纖傳輸。為了實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，未來的6G無線通信系統(tǒng)需要將載波頻率從100GHz擴(kuò)展到太赫茲(THz)范圍。因此需要一種將太赫茲波轉(zhuǎn)換為可見光或電信光的快速可控機(jī)制。成像和傳感技術(shù)也可以從中受益。

圖片來源：The Graphene Council

現(xiàn)在缺少的是一種能夠?qū)⒐庾幽芰可限D(zhuǎn)換1000倍左右的材料：從毫電子伏(meV)范圍到大約1電子伏。研究人員最近發(fā)現(xiàn)了所謂的狄拉克量子材料，例如石墨烯和拓?fù)浣^緣體，對(duì)太赫茲光脈沖具有強(qiáng)烈的非線性響應(yīng)。這體現(xiàn)在用太赫茲脈沖激發(fā)后高效產(chǎn)生高次諧波。這些諧波仍在太赫茲范圍內(nèi)，然而，也首次觀察到石墨烯在紅外和太赫茲激發(fā)下發(fā)出可見光。到目前為止，這種效果極其低效，其潛在的物理機(jī)制也不清楚。

發(fā)表在《Nano Letters》上的一篇文章展示了石墨烯系統(tǒng)中太赫茲光到可見光的超快可調(diào)轉(zhuǎn)換。該研究由來自 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德國 HZDR）的Igor Ilyakov博士和Sergey Kovalev博士以及加泰羅尼亞納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所（ICN2，西班牙）和埃因霍溫理工大學(xué)（荷蘭）的Klaas-Jan Tielrooij教授領(lǐng)導(dǎo)。他們?yōu)檫@一機(jī)制提供了物理解釋，并展示了如何通過使用高摻雜石墨烯（所謂的GraphExeter）和使用光柵石墨烯超材料來強(qiáng)烈增強(qiáng)光發(fā)射。他們還觀察到這種轉(zhuǎn)換發(fā)生得非?？臁趤喖{秒時(shí)間尺度上——并且可以通過靜電門控進(jìn)行控制。

作者將石墨烯中的光頻轉(zhuǎn)換歸因于太赫茲引起的熱輻射機(jī)制：電荷載流子從入射太赫茲場(chǎng)吸收電磁能；被吸收的能量在材料中迅速分布，導(dǎo)致載流子加熱；最后，由于黑體輻射，這導(dǎo)致可見光譜中的光子發(fā)射。

在石墨烯基材料中實(shí)現(xiàn)的太赫茲到可見光轉(zhuǎn)換的可調(diào)性和速度在信息和通信技術(shù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。潛在的超快熱力學(xué)機(jī)制肯定會(huì)對(duì)太赫茲到電信的互連以及任何需要超快信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換的技術(shù)產(chǎn)生影響。

審核編輯 ：李倩