利用太赫兹电子技术产生和检测石墨烯等离子体极化子
石墨烯等离子体极化子是一类具有优越光电特性的混合准粒子。这些粒子已被证明有望用于开发在电磁波谱的太赫兹和中红外区域工作的微型纳米级电路。这些太赫兹电路可能以惊人的速度处理信息，从而促进电子技术的进一步发展。尽管石墨烯 等离子体极化子具有实现纳米级太赫兹电路的潜力，但现有技术在集成控制极化子信号所需的电子元件方面已被证明是无效的。
NTT 基础研究实验室和日本各研究所的研究人员最近设计了一种策略，可以使用太赫兹电子器件在芯片上可靠地生成、操纵和检测石墨烯等离子体波包。他们提出的策略发表在《自然电子学》杂志上，为石墨烯等离子体集成电路的开发开辟了新的可能性。
论文共同作者 Katsumasa Yoshioka 告诉 Tech Xplore：“我们的研究目标是利用石墨烯等离子体开发超快集成电路，它具有独特的特性，例如可调性、低损耗和对太赫兹电场的严格限制——这些特性对于传统电子产品来说很难实现。”
“我们的项目是合作的成果，汇集了电传输测量和超快激光光谱领域的专家。这种跨学科方法促进了思想和专业知识的丰富交流，使我们取得了突破性的发现。”
产生太赫兹石墨烯等离子体的传统方法依赖于光激发，因此其效率受到光子动量和等离子体不匹配的严重限制。
吉冈和他的同事提出的新方法克服了这些方法的局限性，通过欧姆接触将电荷脉冲直接注入石墨烯，显著提高了片上发电效率。
“这种方法标志着朝着构建石墨烯等离子体电路迈出了关键一步，”吉冈解释道。“我们通过将超快飞秒激光系统与光电导开关相结合，解决了管理太赫兹电信号的挑战，这种信号比传统的千兆赫电子信号快三个数量级，使我们能够在时间域中生成和检测这些信号。”
研究人员通过一系列测试证明了他们提出的策略的可行性，他们通过欧姆接触将电脉冲注入石墨烯微带。他们表明，这些脉冲可以有效地转换成脉冲持续时间短的等离子体波包。
“我们展示了仅通过在栅极电极上施加外部电压就能在芯片上操控太赫兹电信号的相位和振幅的能力，”吉冈说。“值得注意的是，我们将等离子体波包限制在约 2.1 × 10 –18立方米的体积内，比其在自由空间中的体积小得多，超过 50 亿倍。”
吉冈和他的同事最近开展的这项研究可能为纳米级太赫兹电路的开发铺平道路。这些电路反过来又可用于开发适用于各种应用的新型电子设备，以更快、更高效地处理数据。
“展望未来，我们计划增强石墨烯等离子体电路的复杂性和功能性，”吉冈补充道。“我们未来的工作旨在将可调滤波器、调制器和放大器集成到这些电路中，突破太赫兹电子学目前可能达到的极限，并启发该领域的新方向。”
更多信息： Katsumasa Yoshioka 等人，利用太赫兹电子技术实现超短石墨烯等离子体波包的片上传输，《自然电子学》（2024 年）。DOI ：10.1038/s41928-024-01197-x
期刊信息： Nature Electronics
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