Trabalhar na faixa terahertz (THz) oferece oportunidades únicas em diversas aplicações, incluindo imagens biomédicas, telecomunicações e sistemas avançados de detecção. No entanto, devido às propriedades únicas das ondas eletromagnéticas na faixa de 0,1 a 10 THz, tem sido difícil desenvolver componentes de alto desempenho que demonstrem o verdadeiro potencial da tecnologia THz. Mesmo a concepção de elementos básicos e essenciais, como filtros e absorvedores, continua a ser um desafio substancial.



Felizmente, a ascensão dos metamateriais pode levar a formas inovadoras de resolver estes problemas. Graças aos avanços nas tecnologias de fabricação e processamento, agora é possível criar microestruturas padronizadas bidimensionais (2D) com propriedades eletromagnéticas exclusivas na faixa THz, proporcionando controle sem precedentes sobre sinais nessas frequências.

Embora vários absorvedores de metamateriais 2D (ou "metasuperfície") tenham sido propostos, a maioria deles ainda sofre de sérias limitações. Um problema comum é que uma vez determinado e fabricado o padrão estrutural de um absorvedor de metassuperfície, seu desempenho eletromagnético se torna fixo. Esta falta de sintonização restringe as possíveis aplicações de tais dispositivos.

Por outro lado, embora existam absorvedores de metassuperfície sintonizáveis ​​à base de metal, o uso de camadas metálicas finas é desencorajado. Isto se deve a diversas desvantagens, como a dificuldade na fabricação das estruturas necessárias e o fraco desempenho causado pelas características inerentes aos metais.

Neste contexto, uma equipe de pesquisa da China desenvolveu agora um novo absorvedor de metassuperfície sintonizável à base de carbono com uma largura de banda sintonizável ultralarga na faixa THz. O estudo, dirigido pelo Dr. Wenhan Cao, da ShanghaiTech University, foi publicado no Advanced Photonics Nexus. .

O absorvedor proposto está centrado no uso de microestruturas de grafeno e grafite como ressonadores e uma camada de grafite como superfície refletora. "A subunidade de repetição, ou 'célula unitária', neste absorvedor de metassuperfície THz foi estrategicamente projetada para otimizar a eficiência de absorção com base principalmente em quatro fatores:geometria, propriedades do material, sensibilidade de polarização e mecanismos de sintonia, "explica Cao.

Em termos de geometria, o absorvedor compreende três camadas finas. A camada superior é uma camada condutora padronizada contendo um arranjo de anéis concêntricos de grafite interligados por fios de grafeno, enquanto a segunda é um dielétrico simples que ajuda a dissipar ondas eletromagnéticas indesejadas. Finalmente, a terceira camada é uma camada de absorção que impede a transmissão de ondas THz através do dispositivo, maximizando assim a eficiência de absorção.

Tanto a seleção do material quanto o desenho geométrico do absorvedor, otimizado por meio de análises numéricas e simulações, contribuem para sua notável absorção na faixa THz. Notavelmente, uma característica chave do absorvedor proposto é a sua sintonização, que surge de um nível de Fermi ajustável. Este parâmetro é essencial na tecnologia de materiais e semicondutores, pois determina a distribuição de elétrons em diferentes níveis de energia.

Ao aplicar uma tensão à camada de grafeno, é possível modificar o seu nível de Fermi, o que por sua vez permite ajustar facilmente a largura de banda de absorção.

"Em um nível Fermi de 1 eV, o absorvedor proposto pode atingir uma largura de banda impressionantemente ampla de 8,99 THz, proporcionando mais de 90% de absorção na faixa de frequência de 7,24 a 16,23 THz, com dois picos de ressonância distintos em 8,35 THz e 14,70 THz," acrescentou Cao.

Outra vantagem notável do projeto proposto é a sua notável insensibilidade ao ângulo de polarização da radiação incidente. Esta propriedade favorável surge naturalmente do uso de anéis concêntricos na célula unitária do absorvedor. O círculo, como forma perfeitamente simétrica, permite que o absorvedor mantenha alta taxa de absorção em ângulos de incidência de até 50°.

No geral, os muitos benefícios do design proposto, combinados com a sua simplicidade elegante, representam um verdadeiro avanço na tecnologia THz.

"O absorvedor proposto fornece uma estrutura ultrafina e simples, livre de metal, com uma largura de banda de absorção ampla e ajustável em baixa espessura, o que aumenta muito sua aplicabilidade. Essas vantagens vão além das de outros absorvedores relatados", disse Cao.

Em breve, os dispositivos THz poderão tornar-se parte da tecnologia quotidiana, especialmente em áreas como a medicina e as comunicações, bem como em empreendimentos mais orientados para a investigação, como a ciência dos materiais e a biologia.

Mais informações: Aiqiang Nie et al, absorvedor de metassuperfície de terahertz ajustável de banda ultralarga à base de carbono, Advanced Photonics Nexus (2024). DOI:10.1117/1.APN.3.1.016007
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