Ученые из Регенсбургского университета, Массачусетского технологического института, Московского физико-технического института и Канзасского университета обнаружили аномально сильное поглощение света графеном. Эффект возникает из-за преобразования обычных электромагнитных волн в сверхмедленные поверхностные волны, проходящие через графен. Наблюдение представляет фундаментальный интерес и впечатляющим образом показывает, как взаимодействие бернштейновских мод, коллективные возбуждения электронов, обусловленные их циклотронным движением, и размытие электрических полей на мельчайших масштабах из-за нелокальности могут влиять на поглощение излучения графеном. Такое поведение может послужить основой для чрезвычайно чувствительных инфракрасных и терагерцовых детекторов, намного меньших, чем существующие, с аналогичной эффективностью поглощения.
Повседневный опыт учит нас, что эффективность сбора световой энергии пропорциональна площади поглотителя. «Поля» солнечных батарей, которые усеивают многие пустыни, являются ярким свидетельством этого. Может ли объект поглощать излучение с площади большей, чем он сам? Оказывается да, и это возможно, когда частота света находится в резонансе с движением электронов в поглотителе. В этом случае площадь поглощения излучения порядка квадрата длины волны света, хотя сам поглотитель может быть чрезвычайно мал.
Для приема электромагнитных волн — от радиочастот до ультрафиолетового диапазона — с наименьшими возможными потерями применяют явления резонансного поглощения. Два класса резонансов особенно перспективны для этих приложений: первый и самый фундаментальный называется циклотронным резонансом и возникает, когда частота входящей электромагнитной волны совпадает с частотой, на которой электрон вращается по круговой траектории в приложенном магнитном поле. Второй резонанс возникает в результате синхронного движения электронов и электромагнитного поля от одной границы образца к другой и называется плазмонным резонансом .. Оба резонанса были успешно исследованы экспериментально в различных системах. Однако наблюдаемый эффект усиления поглощения был сравнительно небольшим в большинстве исследованных до сих пор полупроводников.
В настоящей работе исследовано поглощение электромагнитных волн в условиях одновременного существования обоих резонансов — циклотронного и плазмонного. Для изучения этого явления была выбрана частота электромагнитной волны порядка нескольких терагерц. Графен, слой атомов углерода, был выбран для экспериментов, проводимых в Терагерцовом центре Регенсбургского университета (TerZ). Вещество, которое также можно найти слоями в обычных карандашных стержнях. Его высокая чистота не только позволяет возникать в структуре плазменным колебаниям, быстрым колебаниям электронной плотности, но и дополнительно сохраняет ее, так как электроны могут переходить с одной границы образца на другую, никогда не встречая примесей.
Разоблачение графенак магнитному полю создает условия для циклотронного резонанса, заставляя электроны двигаться по орбитам. Излучение терагерцового лазера использовалось для возбуждения графена, что привело к неожиданному результату: в то время как фотосигнал был относительно небольшим при обычном циклотронном резонансе, исследователи наблюдали огромный фотоотклик на его удвоенной частоте. Детальное сравнение эксперимента с теорией показывает, что сильный фотосигнал возникает из-за взаимодействия двойного циклотронного и плазмонного резонансов в так называемые моды Бернштейна, колебания электронной плотности, вызванные циклотронным движением. Приходящее терагерцовое излучение «меняет форму» на поверхности образца и связывается с этими модами. Вблизи частоты двойного циклотронного резонанса плазмонные волны сильно тормозятся — их скорость падает почти до нуля, так что электроны впадают в своего рода ригидность. Поражающий свет графен улавливается и преобразуется в сверхмедленную поверхностную волну. Эти волны «застревают» в графене и остаются там до тех пор, пока не будут поглощены. Чем больше света поглощает графен, тем больше он нагревается и тем больше изменяется его сопротивление, что приводит к большему фотосигналу. Следовательно, изменение сопротивления графена под действием света является мерой его поглощательной способности. чем больше он нагревается и тем больше изменяется его сопротивление, что приводит к большему фотосигналу. Следовательно, изменение сопротивления графена под действием света является мерой его поглощательной способности. чем больше он нагревается и тем больше изменяется его сопротивление, что приводит к большему фотосигналу. Следовательно, изменение сопротивления графена под действием света является мерой его поглощательной способности.
Ожидается, что в этом режиме графен будет суперпоглотителем. То есть он не только будет улавливать свет с площади, превышающей его геометрический размер, но и сможет улавливать свет с площади, превышающей квадрат длины волны. Аномально малая скорость плазмона в намагниченном графене создает для этого все предпосылки.
В контексте этого исследования Центра совместных исследований 1277 графен оказался очень подходящей платформой для наблюдения за аномально сильным терагерцовым поглощением. Эти исследования проливают новый свет на взаимодействие света и вещества и расширяют роль электрических полей на самых малых масштабах. Однако наблюдаемость явления не ограничивается одним только графеном — многие материалы и наноструктуры на их основе поддерживают сверхмедленные поверхностные волны. Обнаружение и изучение их является непосредственной целью международной исследовательской группы.
