Sblocco delle frequenze nascoste nello spettro elettromagnetico con un nuovo amplificatore di grafene


Un nuovo amplificatore di grafene è stato in grado di sbloccare le frequenze nascoste nello spettro elettromagnetico.

I ricercatori hanno creato un dispositivo unico che sbloccherà le sfuggente lunghezze d’onda terahertz e renderà possibili nuove tecnologie rivoluzionarie.

Le onde Terahertz (THz) si esibiscono tra le microonde e gli infrarossi nello spettro della frequenza della luce, ma a causa dei loro scienziati a basso consumo energetico non sono stati in grado di sfruttare il loro potenziale.

Il enigma è conosciuto nei circoli scientifici come il divario terahertz.

Essere in grado di rilevare e amplificare le onde THz (raggi T) aprirebbe una nuova era di tecnologie mediche, di comunicazione, satellitari, cosmologiche e di altre tecnologie.

Una delle più grandi applicazioni sarebbe come un’alternativa sicura e non distruttiva ai raggi X.

La luce nelle frequenze THz colpisce il “sandwich” e si riflette con energia aggiuntiva. Credito: Università di Loughborough

Tuttavia, fino ad ora, le lunghezze d’onda – che oscillano tra 3 mm e 30 m – si sono dimostrate impossibili da utilizzare a causa di segnali relativamente deboli provenienti da tutte le fonti esistenti.

Un team di fisici ha creato un nuovo tipo di transistor ottico – un amplificatore THz funzionante – utilizzando il grafene e un superconduttore ad alta temperatura.

La fisica dietro il semplice amplificatore risponde sulle proprietà del grafene, che è trasparente e non è sensibile alla luce e i cui elettroni non hanno massa.

È costituito da due strati di grafene e un superconduttore, che intrappolano gli elettroni senza massa di grafene tra di loro, come un panino. Il dispositivo viene quindi collegato a una fonte di alimentazione.

Quando la radiazione THz colpisce lo strato esterno del grafene, le particelle intrappolate all’interno si attaccano alle onde in uscita dando loro più potenza ed energia di quanto fossero arrivate, amplificandole.

Un amplificatore di grafene. Credito: Università di Loughborough

Il professor Fedor Kusmartsev, del Dipartimento di Fisica di Loughborough, ha dichiarato: “Il dispositivo ha una struttura molto semplice, costituita da due strati di grafene e superconduttori, che formano un panino (come mostrato sopra).

“Quando la luce THz cade sul sandwich, si riflette, come uno specchio. Il punto principale è che ci sarà più luce riflessa di quanto è caduto sul dispositivo.

“Funziona perché l’energia esterna è fornita da una batteria o dalla luce che colpisce la superficie da altre frequenze più alte nello spettro elettromagnetico. I fotoni THz vengono trasformati dal grafene in elettroni senza massa, che, a loro volta, vengono trasformati di nuovo in fotoni THz riflessi, energizzati.

“A causa di una tale trasformazione, i fotoni THz prendono energia dal grafene – o dalla batteria – e i deboli segnali THz sono amplificati.”

La svolta – fatta dai ricercatori della Loughborough University, nel Regno Unito; il Centro per la Fisica Teorica dei Sistemi Complessi, in Corea; il Micro/Nano Fabrication Laboratory Microsystem e il THz Research Center, in Cina e l’AV Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, in Russia, sono stati pubblicati su Physical Review Letters, sulla rivista American Physical Society (APS).

I raggi T potrebbero sostituire i raggi X come mezzo alternativo non distruttivo di imaging medico.

Il team sta continuando a sviluppare il dispositivo e spera di avere prototipi pronti per i test a breve.

Il professor Kusmartsev ha detto che sperano di avere un amplificatore funzionante pronto per la commercializzazione in circa un anno. Ha aggiunto che un tale dispositivo migliorerebbe enormemente la tecnologia attuale e permetterebbe agli scienziati di rivelare di più sul cervello umano.

“L’Universo è pieno di radiazioni terahertz e segnali, infatti, tutti gli organismi biologici lo assorbono ed emettono.

“Mi aspetto che con un tale amplificatore disponibile saremo in grado di scoprire molti misteri della natura, per esempio, come stanno avviene le reazioni chimiche e i processi biologici o come funziona il nostro cervello e come pensiamo.

“La gamma di terahertz è l’ultima frequenza di radiazioni ad essere adottata dall’umanità. Microonde, infrarossi, visibili, raggi X e altre larghezze di banda sono fondamentali per innumerevoli progressi scientifici e tecnologici.

“Ha proprietà che migliorerebbero notevolmente vaste aree della scienza come l’imaging, la spettroscopia, la tomografia medica, la diagnosi medica, il monitoraggio sanitario, il controllo ambientale e l’identificazione chimica e biologica.

“Il dispositivo che abbiamo sviluppato permetterà a scienziati e ingegneri di sfruttare la larghezza di banda illusoria e creare la prossima generazione di apparecchiature mediche, hardware di rilevamento e tecnologia di comunicazione wireless.”

Riferimento: “Transistor ottico per amplificazione delle radiazioni in un dominio Terahertz a banda larga” di K. H. A. Villegas, F. V. Kusmartsev, Y. Luo e I. G. Savenko, 26 febbraio 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.087701