فراماده گرافن به عمق و سرعت مدولاسیون تراهرتز بی‌سابقه‌ای دست یافت
محققان از فراماده گرافن برای ایجاد مدولاتورهای تراهرتز با عمق و سرعت بی‌سابقه استفاده می‌کنند و امکانات جدیدی را برای ارتباطات، تصویربرداری و حسگری فراهم می‌کنند.
محققان آزمایشگاه کاوندیش، دانشگاه کمبریج، روش جدیدی را برای کنترل تابش در محدوده تراهرتز - بخشی که اغلب نادیده گرفته می‌شود - با محدوده دینامیکی و سرعت بی‌سابقه‌ای نشان داده‌اند. این یافته‌ها می‌تواند دریچه‌ای به سوی فناوری‌های پیشرفته در ارتباطات، تصویربرداری و حسگری باز کند و پیشرفت بزرگی را در توسعه دستگاه‌های عملی که در محدوده تراهرتز کار می‌کنند، رقم بزند.
محدوده تراهرتز بین مایکروویوها و نور مادون قرمز در طیف الکترومغناطیسی قرار دارد. با وجود پتانسیل امواج تراهرتز در بسیاری از زمینه‌ها، به عنوان مثال در اسکنرهای امنیتی عبوری در فرودگاه‌ها و برای تشخیص سرطان پوست، دستکاری کارآمد امواج تراهرتز دشوار است. دلیل این امر این است که طول موج‌های تراهرتز در مقایسه با طول موج‌های رادیویی ده‌ها هزار برابر کوچکتر هستند و روش‌های سنتی در این مقیاس به خوبی کار نمی‌کنند. اما توانایی دستکاری امواج تراهرتز به ویژه برای ارتباطات بسیار مهم است، جایی که یک سیگنال داده باید برای انتقال اطلاعات روی یک موج رمزگذاری شود.
دکتر ولادیسلاو میشائیلو، که رهبری این تحقیق را در آزمایشگاه کاوندیش بر عهده داشت و محققی جوان در کالج ترینیتی است، توضیح داد: «به نحوه گوش دادن به یک رادیوی آنالوگ قدیمی فکر کنید که در طول موج‌های بسیار بزرگتری کار می‌کند: شما دکمه را می‌چرخانید تا روی ایستگاه مورد نظر خود تنظیم کنید. در داخل رادیو، شما یک خازن را تنظیم می‌کنید تا رادیو فرکانس ایستگاه مورد نظر شما را دریافت کند.” این مفهوم تنظیم در بسیاری از دستگاه‌ها بسیار مفید است، اما از آنجا که طول موج‌های تراهرتز بسیار کوچک هستند، ما مجبور شدیم مفهوم جدیدی را برای تحقق تنظیم در محدوده تراهرتز ارائه دهیم”
خازن‌ها اجزایی هستند که انرژی الکتریکی را ذخیره و آزاد می‌کنند. با تنظیم میزان باری که هر خازن می‌تواند نگه دارد - خاصیتی به نام ظرفیت خازنی - می‌توان فرکانس دستگاه‌هایی مانند آشکارسازها یا مدولاتورها را تنظیم کرد. با کوچکتر شدن طول موج، ابعاد خازن‌ها باید به طور متناسب کوچک شوند، اما کوچک کردن آنها به اندازه‌ای که به محدوده تراهرتز برسند، به این روش سنتی غیرممکن خواهد بود.
در ناحیه تراهرتز، محققان مدولاتورهایی را با استفاده از متامواد ساخته‌اند. متامواد از همان اصلی استفاده می‌کنند که مثلاً در رنگ‌های پر جنب و جوش پروانه‌ها در طبیعت نقش دارد، اما فیزیک اساسی آن در محدوده تراهرتز نیز به همان اندازه عمل می‌کند. متامواد آرایه‌هایی از تشدیدگرهای کوچک، کوچکتر از طول موج تابش، هستند که برای تشدید در فرکانس خاصی طراحی شده‌اند. با جاسازی یک ماده رسانا مانند گرافن دو بعدی در آنها، می‌توان پاسخ نوری چنین موادی را تنظیم کرد - اینگونه است که مدولاتورها را می‌توان ساخت.
معمولاً از گرافن به عنوان یک مقاومت متغیر در چنین دستگاه‌هایی استفاده می‌شود: شکاف‌های نانومقیاس درون تشدیدگرها با گرافن کوتاه می‌شوند. این امر رزونانس را تضعیف می‌کند و در نتیجه، قدرت تابش منتقل شده را تغییر می‌دهد.
ولادیسلاو گفت: "اما این رویکرد خیلی کارآمد نیست، زیرا به سادگی باعث فروپاشی رزونانس می‌شود. این مانند پوشیدن جوراب روی فلوت به جای نواختن فلوت است." "به جای سرکوب رزونانس، ما خازن‌های بسیار نازک و قابل تنظیم از گرافن ساختیم. این به ما اجازه می‌دهد تا رزونانس را به روشی که می‌خواهیم تغییر دهیم - مانند نواختن ملودی روی فلوت."
در تحقیقات خود که در مجله Light: Science & Applications "دستیابی به عمق مدولاسیون دامنه ۱۰۰٪ در محدوده تراهرتز با فرامواد خازنی قابل تنظیم مبتنی بر گرافن" منتشر شده است، دانشمندان تکه‌های بسیار کوچکی از گرافن ایجاد کردند و آنها را درون هر ساختار کوچک یا تشدیدگر آرایه در فراماده قرار دادند. این تکه‌های گرافن فوق‌العاده کوچک هستند، کمتر از یک میکرون عرض دارند (که یک هزارم میلی‌متر است) و به عنوان خازن‌های قابل تنظیم در مقیاس نانو عمل می‌کنند.
محققان همچنین این دستگاه‌ها را طوری طراحی کردند که سیگنال‌ها را از سطح پشتی خود منعکس کنند، که عملکرد را حتی بهتر می‌کند.
دکتر روکیائو شیا، که این دستگاه‌ها را در طول دوره دکترای خود در آزمایشگاه کاوندیش ساخته و اندازه‌گیری کرده است، گفت: "به این ترتیب ما توانستیم به عمق مدولاسیون بیش از چهار مرتبه بزرگی دست یابیم. این یکی از بالاترین مقادیری است که تاکنون در محدوده تراهرتز گزارش شده است."
علاوه بر این، دستگاه‌های نمایش داده شده نیز سریع هستند. به طور کلی، تحقق مدولاسیون بزرگ با سرعت‌های پایین یا مدولاسیون کوچک با سرعت‌های بالا آسان است، اما نه با هم. این دستگاه‌های جدید در ترکیب با سرعتی که در حال حاضر 30 مگاهرتز است، به عمق مدولاسیون شدت بی‌سابقه‌ای (>99.99٪) دست می‌یابند.
روکیائو توضیح داد: "عملکرد دستگاه‌های ما به طور قابل توجهی از بسیاری از فناوری‌های مدولاتور قابل مقایسه فراتر می‌رود و به لطف استفاده از فرامواد، می‌توانیم طراحی را برای استفاده در کل محدوده تراهرتز تطبیق دهیم." این تیم معتقد است که فراتر از بهبودهای فوری عملکرد، طراحی آنها می‌تواند بر بسیاری از فناوری‌های آینده تأثیر بگذارد. ولادیسلاو توضیح داد: «با تغییر طراحی شکاف نانومقیاس در هر متاماده‌ای که به یک تشدیدگر متکی است، می‌توانید به طور قابل توجهی بر پاسخ نوری تأثیر بگذارید و از این رو راندمان مدولاسیون را بهبود بخشید. رویکردی که ما در اینجا اتخاذ کرده‌ایم می‌تواند در بسیاری از انواع دیگر مدولاتورهای مبتنی بر متاماده نیز اعمال شود.»
فناوری‌های تراهرتز هنوز در مراحل اولیه خود هستند، اما پتانسیل آنها به سرعت در حال رشد است.
پروفسور دیوید ریچی، رئیس گروه فیزیک نیمه‌هادی در آزمایشگاه کاوندیش، گفت: «امواج تراهرتز می‌توانند کاربردهای زیادی در طیف‌سنجی مواد، غربالگری امنیتی، داروسازی، پزشکی و ارتباطات تراهرتز داشته باشند. جنبه‌ای که ما در پروژه فعلی خود، Teracom، بر آن تمرکز داریم، توسعه سیستم‌های ارتباطی آینده است. این نتایج گامی بزرگ به سوی تحقق سیستم‌های ارتباطی نسل بعدی، فراتر از دوران 5G و 6G است.»
