close
Depositphotos
Российские физики разработали двухслойные структуры из ультратонкой пленки висмута на диэлектрической подложке, которые демонстрируют свойства гиперболической среды в терагерцовом диапазоне частот. На основе таких структур разрабатывается датчик терагерцового излучения, обладающий быстрым откликом и высокой чувствительностью. О своей работе ученые сообщили в журнале Rapid Research Letters. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).
«Гиперболическая среда — это особый класс материалов, главные компоненты которого имеют противоположные знаки. Эти среды поддерживают распространение электромагнитных волн с чрезвычайно большими волновыми векторами, демонстрирующими уникальные оптические свойства, например отрицательное преломление, усиление спонтанного излучения, управление излучательной теплопередачей и удержание света в наномасштабе. Гиперболические метаматериалы раннее реализовывались для оптического, инфракрасного и микроволнового диапазонов частот. Для терагерцового частотного диапазона в средах на основе графена и висмута только теоретически предсказывалось наличие гиперболической дисперсии, но экспериментального подтверждения не было. В своей работе мы впервые показали этот эффект в материалах на основе висмута на терагерцовых частотах», — рассказывает Михаил Ходзицкий, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, доцент-исследователь, руководитель лаборатории «Терагерцовая биомедицина» Университета ИТМО.
Излучение терагерцового диапазона частот перспективно для решения практически важных задач: оно может быть использовано в системах спектроскопии, визуализации, детектирования, передачи данных, а также при разработке биосенсоров. Но в развитии терагерцовых технологий до сих пор существует проблема, связанная с отсутствием доступных и эффективных устройств. Так, несмотря на то что за последние два десятилетия значительное количество исследований было посвящено разработке высокочувствительного, быстродействующего, компактного детектора, работающего при комнатной температуре, в этом направлении остается много нерешенных задач.
К примеру, необходимо найти новые материалы с высокой чувствительностью к излучению при комнатной температуре для их использования в системах детектирования. Большинство предлагаемых терагерцовых датчиков либо обладают высокой скоростью отклика, но имеют низкую чувствительность, либо высокочувствительны, но медленно реагируют. Значительным потенциалом обладают термоэлектрические материалы на основе твердых растворов висмута и сурьмы. Благодаря малой ширине запрещенной зоны (диапазона энергий, который надо преодолеть электрону для перехода в зону проводимости) они относятся к классу полуметаллов с хорошими термоэлектрическими характеристиками. Авторы синтезировали материалы с помощью метода термического напыления в вакууме.
В ходе исследования ученые изучили оптические свойства термоэлектрических материалов на основе висмута в терагерцовом диапазоне частот и обнаружили интересный эффект. Физики измерили временные формы терагерцовых импульсов, прошедших через ультратонкие структуры на диэлектрической подложке, и обнаружили отрицательную временную задержку, вызванную переходом между эллиптической и гиперболической дисперсией материала при увеличении толщины висмута. Ученые продемонстрировали переход от близкого к нулю показателя преломления к отрицательному показателю преломления композитного материала — оказалось, что он зависит от толщины пленки висмута и оптических свойств диэлектрической подложки.
На основе такого материала разрабатывается прототип компактного, быстродействующего, высокочувствительного терагерцового детектора, который будет недорогой альтернативой существующим детекторам, которые используются для обнаружения излучения при комнатной температуре.
Результаты исследования показали возможность использования таких гиперболических материалов для зондирования, разработки биосенсоров, визуализации и систем связи. Ученые считают, что информация, полученная при разработке и изучении гиперболического материала, окажет значительное влияние на развитие знаний научного сообщество в области терагерцовой фотоники.
