Studija koju je sproveo istraživački tim iz Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Katalonskog instituta za nanonauku i nanotehnologiju (ICN2), Centra za nauku o grafenu Univerziteta u Ekseteru i TU Ajndhovena pokazuje da materijali na bazi grafena mogu biti koristi za efikasno pretvaranje visokofrekventnih signala u vidljivu svetlost i da je ovaj mehanizam ultrabrz i podesiv, kako tim predstavlja svoje nalaze u Nano Letters.
Ovi rezultati otvaraju put uzbudljivim aplikacijama u bliskoj budućnosti informacionih i komunikacionih tehnologija.
Sposobnost pretvaranja signala iz jednog frekventnog režima u drugi ključna je za različite tehnologije, posebno u telekomunikacijama, gde se, na primer, podaci obrađeni elektronskim uređajima često prenose kao optički signali kroz staklena vlakna.
Da bi omogućili znatno veće brzine prenosa podataka budući 6G bežični komunikacioni sistemi će morati da prošire frekvenciju nosioca iznad 100 gigaherca do teraherca opsega. Teraherc talasi su deo elektromagnetnog spektra koji se nalazi između mikrotalasa i infracrvene svetlosti.
Međutim, teraherc talasi se mogu koristiti samo za bežični prenos podataka na veoma ograničenim udaljenostima. „Zbog toga će biti potreban brz i kontrolisan mehanizam za pretvaranje teraherc talasa u vidljivu ili infracrvenu svetlost, koja se može prenositi preko optičkih vlakana. Tehnologije snimanja i sensinga takođe bi mogle imati koristi od takvog mehanizma“, kaže dr Igor Iljakov iz Instituta radijacione fizike na HZDR.
Ono što do sada nedostaje je materijal koji je sposoban da poveća energiju fotona za faktor od oko 1000. Tim je tek nedavno identifikovao snažan nelinearni odgovor takozvanih Diracovih kvantnih materijala, npr. grafena i topoloških izolatora, do teraherc svetlosnih impulsa.
„Ovo se manifestuje u visokoefikasnom generisanju visokih harmonika, odnosno svetlosti koja je višestruka od originalne laserske frekvencije. Ovi harmonici su još uvek u terahercnom opsegu, međutim, bilo je i prvih zapažanja emisije vidljive svetlosti iz grafena na infracrveno i teraherc ekscitacija“, priseća se dr Sergej Kovaljov sa Instituta za radijacionu fiziku pri HZDR. „Do sada je ovaj efekat bio izuzetno neefikasan, a osnovni fizički mehanizam nepoznat.“
Novi rezultati pružaju fizičko objašnjenje za ovaj mehanizam i pokazuju kako se emisija svetlosti može snažno poboljšati korišćenjem visoko dopiranog grafena ili korišćenjem metamaterijala sa rešetkastim grafenom – materijala sa prilagođenom strukturom koju karakterišu posebna optička, električna ili magnetna svojstva. Tim je takođe primetio da se konverzija dešava veoma brzo – na vremenskoj skali sub-nanosekunde, i da se može kontrolisati elektrostatičkim gejtingom.
„Pretvorbu frekvencije svetlosti u grafenu pripisujemo mehanizmu termičkog zračenja izazvanom teraherc, to jest, nosači naelektrisanja apsorbuju elektromagnetnu energiju iz upadnog teraherc polja. Apsorbovana energija se brzo distribuira u materijalu, što dovodi do zagrevanja nosača; i na kraju ovo dovodi do emisije fotona u vidljivom spektru, kao svetlost koju emituje bilo koji zagrejani objekat,“ objašnjava prof. Klaas-Jan Tielrooij iz ICN2-ove grupe za ultrabrzu dinamiku u sistemima nanorazmera i Tehnološkog univerziteta u Ajndhovenu.
Podešavanje i brzina konverzije teraherca u vidljivu svetlost postignute u materijalima na bazi grafena imaju veliki potencijal za primenu u informacionim i komunikacionim tehnologijama. Osnovni ultrabrzi termodinamički mehanizam bi sigurno mogao da utiče na interkonekcije teraherc-telekom, kao i na bilo koju tehnologiju koja zahteva ultrabrzu konverziju frekvencije signala.
