Kada svetlost udari u površinu nekih materijala, naime onih koji pokazuju svojstvo poznato kao fotootpornost, može izazvati promene u njihovoj električnoj provodljivosti. Grafen je među ovim materijalima, jer upadna svetlost može uzbuditi elektrone u njemu, utičući na njegovu fotoprovodljivost.
Istraživači sa Nacionalnog univerziteta u Singapuru izveštavaju o odstupanju od standardnog fotootpornog ponašanja u dopiranom metalnom grafenu. Njihov rad, objavljen u Nature Nanotechnologi, pokazuje da kada su izloženi kontinuiranom teraherc (THz) zračenju, Dirakovi elektroni u ovom materijalu mogu biti termički odvojeni od rešetke, što dovodi do njihovog hidrodinamičkog transporta.
„Naše istraživanje je proizašlo iz sve većeg priznanja da tradicionalni modeli ponašanja elektrona ne obuhvataju u potpunosti svojstva određenih naprednih materijala, posebno u kvantnom svetu“, Denis Bandurin, docent na NUS-u, vođa eksperimentalne laboratorije za fiziku kondenzovane materije i stariji autor rada, rekao je za Tech Xplore.
„Dugo vremena smo elektrone tretirali kao nezavisne čestice, koje liče na atome u gasu, čineći model jednostavnijim. Međutim, mnogi fenomeni uočeni u kvantnim materijalima nisu mogli da se objasne. Nedavne studije, međutim, sugerišu da pod određenim uslovima, elektroni u ovim materijalima se ponašaju kolektivno, kao tečnost, što znači da su u interakciji i ‘teče’ zajedno.“
Ključni cilj studije Bandurina i njegovih kolega bio je da dalje istraže ponašanje grafenskih elektrona nalik tečnosti o kojima je izveštavano u nedavnim studijama. Konkretno, tim je pokušao da utvrdi da li bi viskozni protok elektrona primećen u grafenu mogao da pomogne u rešavanju dugogodišnjeg izazova u oblasti optoelektronike, odnosno otkrivanja THz zračenja.
„THz talase, koji se nalaze između mikrotalasnih i infracrvenih na spektru, teško je otkriti, ali imaju ogromne potencijalne primene“, rekao je Bandurin. „Želeli smo da vidimo da li ponašanje elektrona nalik fluidu može da poboljša odgovor grafena na THz zračenje, potencijalno stvarajući praktičan detektor velike brzine za ovaj izazovni opseg elektromagnetnog spektra.“
Da bi istražio efekte THz talasa na električnu provodljivost grafena, tim je prvo pripremio jednoslojne uzorke grafena „dopirane“ dodatnim elektronima, što ih je učinilo da se ponašaju više kao metali. Da bi se realizovao efikasan sensing u ovim uzorcima, tim je morao da ih dalje obrađuje, pošto električna provodljivost grafena nije osetljiva na zagrevanje preko THz zračenja.
„Da bismo rešili ovaj problem, dizajnirali smo naše uzorke tako da imaju usko suženje koje omogućava viskoznim efektima da promene provodljivost uzoraka koji su bili izloženi THz zračenju“, objasnio je Mihail Kravcov, prvi autor rada. „Koristeći merne alate visoke preciznosti, mogli bismo da pratimo promene u kretanju elektrona i električnom otporu unutar grafena dok je bio u interakciji sa THz talasima.
Zanimljivo je da su istraživači primetili da kada su dopirani metalni uzorci grafena bili pod uticajem THz svetlosti, viskoznost njihovih elektrona nalik tečnosti je opala. Ovo je omogućilo da elektroni lakše prolaze kroz materijal (tj. sa manjim otporom).
Bandurin i njegove kolege su uhvatili ovaj uočeni efekat u novorazvijenim viskoznim elektronskim bolometrima. Ovi uređaji mogu obećati detekciju pomeranja električne provodljivosti pri izuzetno velikim brzinama.
„Najuzbudljivije dostignuće naše studije je razvoj prve praktične primene toka viskoznih elektrona, koncepta koji se ranije smatrao čisto teorijskim“, rekao je Bandurin.
„Koristeći THz talase da promenimo viskozitet elektrona u grafenu, uspešno smo kreirali uređaj koji detektuje THz zračenje sa velikom osetljivošću i brzinom. Ovo je značajno dostignuće jer otvara nove mogućnosti za korišćenje THz tehnologije u stvarnim aplikacijama—nešto to je bilo izazovno shvatiti.“
Nedavna studija ovog tima istraživača mogla bi imati važne implikacije za razvoj različitih ultra brzih i visokoučinkovitih THz tehnologija. Na primer, mogao bi da pruži informacije o razvoju bežične komunikacione tehnologije sledeće generacije (6G i dalje), navigacionih sistema za autonomna vozila i alata za snimanje astronomskih slika visoke rezolucije.
„Poboljšanjem naše sposobnosti da detektujemo THz svetlost, takođe bismo mogli da poboljšamo industrijske procese, kao što su kontrola kvaliteta i medicinsko snimanje, gde je ovo nedestruktivno sensing pokazalo obećanje“, rekao je Bandurin.
„Gledajući unapred, naš primarni cilj će biti da poboljšamo ove viskozne elektronske bolometre i učinimo ih što efikasnijim i praktičnijim za široku upotrebu. Istražujemo načine da optimizujemo njihovu osetljivost i izdržljivost, osiguravajući da oni mogu efikasno da rade u različitim uslovima i aplikacije“.
U svojim sledećim studijama, Bandurin i njegove kolege takođe planiraju da proučavaju druge kvantne materijale koji pokazuju slično ponašanje elektrona nalik fluidu. Ovo će im omogućiti da utvrde da li, u poređenju sa grafenom, ovi materijali pokazuju slične ili možda čak i naglašenije odgovore na THz zračenje.
„Razumevanje kako iskoristiti ovo kolektivno ponašanje elektrona na širem planu moglo bi utrti put za još naprednije uređaje u optoelektronici i kvantnoj tehnologiji, što bi potencijalno dovelo do otkrića u prenosu podataka, slikanju i šire“, dodao je Bandurin.
