No espectro eletromagnético, a luz terahertz está localizada entre a radiação infravermelha e as microondas. Ele possui um enorme potencial para as tecnologias de amanhã:Entre outras coisas, ele pode ter sucesso no 5G, permitindo conexões de comunicação móvel extremamente rápidas e redes sem fio. O gargalo na transição das frequências gigahertz para terahertz foi causado por fontes e conversores insuficientemente eficientes. Uma equipe de pesquisa germano-espanhola com a participação do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) desenvolveu agora um sistema de material para gerar pulsos de terahertz com muito mais eficácia do que antes. É baseado em grafeno, ou seja, uma folha de carbono superfina, revestido com uma estrutura metálica lamelar. O grupo de pesquisa apresentou seus resultados na revista. ACS Nano .

Algum tempo atrás, uma equipe de especialistas trabalhando no acelerador HZDR ELBE foi capaz de mostrar que o grafeno pode atuar como um multiplicador de frequência:quando o carbono bidimensional é irradiado com pulsos de luz na faixa de frequência de baixo terahertz, estes são convertidos para frequências mais altas. Até agora, o problema é que os sinais de entrada extremamente fortes, que, por sua vez, só poderia ser produzido por um acelerador de partículas em grande escala, eram necessários para gerar esses pulsos de terahertz com eficiência. "Isso é obviamente impraticável para futuras aplicações técnicas, "explica o autor principal do estudo, Jan-Christoph Deinert, do Instituto de Física da Radiação do HZDR." procuramos um sistema material que também funcione com uma entrada muito menos violenta, ou seja, com intensidades de campo mais baixas. "

Para este propósito, Cientistas do HZDR, juntamente com colegas do Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia (ICN2), o Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO), a Universidade de Bielefeld, TU Berlin e o Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros, com sede em Mainz, teve uma nova ideia:a conversão de frequência poderia ser enormemente aprimorada revestindo o grafeno com minúsculas lamelas de ouro, que possuem uma propriedade fascinante:"Eles agem como antenas que amplificam significativamente a radiação terahertz de entrada no grafeno, "explica o coordenador do projeto Klaas-Jan Tielrooij do ICN2." Como resultado, temos campos muito fortes onde o grafeno é exposto entre as lamelas. Isso nos permite gerar pulsos de terahertz de maneira muito eficiente. "

Multiplicação de frequência surpreendentemente eficaz

Para testar a ideia, membros da equipe do ICN2 em Barcelona produziram amostras:Primeiro, eles aplicaram uma única camada de grafeno a um suporte de vidro. Em cima, eles depositaram a vapor uma camada isolante ultrafina de óxido de alumínio, seguido por uma treliça de tiras de ouro. As amostras foram então levadas para a instalação de terahertz da TELBE em Dresden-Rossendorf, onde foram atingidos com pulsos de luz na faixa de terahertz baixo (0,3 a 0,7 THz). Durante este processo, os especialistas usaram detectores especiais para analisar a eficácia com que o grafeno revestido com lamelas de ouro pode multiplicar a frequência da radiação incidente.

"Funcionou muito bem, "Sergey Kovalev tem o prazer de relatar. Ele é responsável pela instalação da TELBE em HZDR." Em comparação com o grafeno não tratado, sinais de entrada muito mais fracos foram suficientes para produzir um sinal multiplicado por frequência. "Expresso em números, apenas um décimo da intensidade do campo originalmente necessária foi suficiente para observar a multiplicação da frequência. E em baixas intensidades de campo tecnologicamente relevantes, o poder dos pulsos de terahertz convertidos é mais de mil vezes mais forte graças ao novo sistema de materiais. Quanto mais largas as lamelas individuais e menores as áreas de grafeno que ficam expostas, mais pronunciado é o fenômeno. Inicialmente, os especialistas conseguiram triplicar as frequências de entrada. Mais tarde, eles alcançaram efeitos ainda maiores - quíntuplos, sete vezes, e até nove vezes aumentos na frequência de entrada.

Compatível com tecnologia de chip

Isso oferece uma perspectiva muito interessante, porque até agora, os cientistas precisam de grandes, dispositivos complexos, como aceleradores ou grandes lasers para gerar ondas terahertz. Graças ao novo material, também pode ser possível alcançar o salto de gigahertz para terahertz puramente com sinais de entrada elétricos, ou seja, com muito menos esforço. "Nosso metamaterial à base de grafeno seria bastante compatível com a tecnologia de semicondutor atual, "Deinert enfatiza." Em princípio, ele poderia ser integrado em chips comuns. "Ele e sua equipe provaram a viabilidade do novo processo - agora a implementação em montagens específicas pode se tornar possível.

As aplicações potenciais podem ser vastas:como as ondas terahertz têm frequências mais altas do que as frequências gigahertz de comunicações móveis usadas hoje, eles poderiam ser usados ​​para transmitir significativamente mais dados sem fio - 5G se tornaria 6G. Mas a faixa de terahertz também é de interesse para outros campos - de controle de qualidade na indústria e scanners de segurança em aeroportos a uma ampla variedade de aplicações científicas na pesquisa de materiais, por exemplo.