La variabilidad de la conductividad del grafeno modula la onda THz.

Los moduladores de terahercios con alta sintonización tanto de intensidad como de fase son esenciales para un control efectivo de las propiedades electromagnéticas. Debido a la física subyacente detrás de los enfoques existentes, todavía hay una falta de dispositivos de banda ancha capaces de lograr una modulación profunda. Aquí, demostramos el efecto del ángulo de Brewster sintonizable controlado por grafeno, y desarrollamos un modulador de grafeno / cuarzo de estado sólido altamente sintonizable basado en este mecanismo.

El ángulo de Brewster del dispositivo se puede ajustar variando la conductividad del grafeno a través de una compuerta eléctrica. De esta manera, logramos una modulación de intensidad casi perfecta con una profundidad de modulación espectralmente plana de 99.3 a 99.9 por ciento y una capacidad de sintonización de fase de hasta 140 grados en el rango de frecuencia de 0.5 a 1.6 THz. A diferencia del uso de efectos de resonancia electromagnética (por ejemplo, metamateriales), Este principio garantiza que nuestro dispositivo pueda operar en banda ultra ancha. Por lo tanto, es un principio efectivo para la modulación de terahertz.

En comparación con otras regiones del espectro electromagnético terahertz (THz), el rango de frecuencia entre el infrarrojo y el microondas, ha sido relativamente descuidado.

Un grupo de la Universidad China de Hong Kong y la Universidad de Warwick han demostrado recientemente que la modulación de banda ancha, grande y rápida de los haces de THz es de hecho posible, e incluso puede lograrse con un dispositivo muy limpio.

Se ha dedicado mucho esfuerzo al diseño de cámaras y espectrómetros que funcionan en las frecuencias de THz. Ya han demostrado ser útiles en los escáneres de seguridad de aeropuertos y para identificar las capas subyacentes de pinturas antiguas.

Un componente importante de estos equipos son los moduladores, que controlan la amplitud o fase de un haz de THz. Estos deben funcionar rápidamente, consumir poca energía, proporcionar una modulación constante en un amplio rango de frecuencias y producir grandes cambios en la intensidad o fase de un haz de THz. Los enfoques hasta ahora incluyen metamateriales, semiconductores y dispositivos de cristal líquido, ninguno de los cuales cumple con todos los requisitos necesarios.

Entra el señor Brewster …

En 1815, David Brewster publicó un artículo que describe el ángulo de incidencia requerido para lograr una reflexión cero desde un cuerpo transparente. Ahora, más de doscientos años después, un equipo de científicos liderados por Jianbin Xu y Emma Pickwell-MacPherson han aplicado este conocimiento, junto con algunos avances tecnológicos más recientes, para crear un modulador de THz sin precedentes.

Pickwell-MacPherson comentó: “Nuestro primer paso fue demostrar que la modulación de banda ancha THz se puede lograr con un cambio mucho menor en la conductividad al emplear la geometría de reflexión interna total (TIR) ​​en lugar de la geometría de transmisión (lea más sobre esto en Materiales ópticos avanzados ) . “Esto se ha convertido en la realización de varios diseños de dispositivos nuevos, con este último que explota el ángulo de Brewster”.

El dispositivo consiste en una sola pila de grafeno, óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) y óxido de titanio (TiO x) sobre un sustrato de cuarzo. Un p haz THz -polarized se refleja de la pila, y cuando se alcanza el ángulo de Brewster la reflexión tiende a cero. La adición de una capa de grafeno aquí permite un elemento adicional de capacidad de ajuste. Cuando se aplica un voltaje a través del grafeno entre dos contactos de oro, la conductividad cambia. Esto altera el ángulo de Brewster para la pila, por lo que para un ángulo de incidencia dado, los THz reflejados pueden “encenderse o apagarse” controlando el voltaje.

Xu, quien es Director del Centro de Investigación de Ciencia y Tecnología de Materiales, de la Universidad China de Hong Kong, explicó que “el beneficio adicional de este dispositivo es que se puede adaptar a los espectrómetros THz existentes comercialmente disponibles”. Este ángulo de Brewster controlado por grafeno El modulador THz realmente nos impulsa hacia el futuro de las tecnologías THz en aplicaciones de la vida real.

Via: https://www.nature.com/articles/s41467-018-07367-8