Крошечная пластинка графена на карбиде кремния и антенна футуристического вида, и вот он — новый детектор графена. Как никакая другая система с одним детектором, которая существовала раньше, эта сравнительно простая и недорогая конструкция может охватывать огромный спектральный диапазон от видимого света до терагерцового излучения. «В отличие от других полупроводников, таких как кремний или арсенид галлия, графен может улавливать свет с очень большим диапазоном энергий фотонов и преобразовывать его в электрические сигналы.
Для создания идеальных условий нам нужна была только широкополосная антенна и подходящая подложка», — пояснил Доктор Стефан Виннерл, физик из Института физики ионных пучков и материаловедения HZDR.Еще в 2013 году Мартин Миттендорф, который в то время был аспирантом HZDR, разработал предшественник графенового детектора. В своей нынешней должности постдока в Университете Мэриленда он усовершенствовал ее вместе со своими коллегами из Дрездена и учеными из Марбурга, Регенсбурга и Дармштадта.
Как это работает: пластинка графена и антенна в сборе поглощают лучи, тем самым передавая энергию фотонов электронам в графене. Эти «горячие электроны» увеличивают электрическое сопротивление детектора и генерируют быстрые электрические сигналы. Детектор может регистрировать падающий свет всего за 40 пикосекунд — это миллиардные доли секунды.Широкий спектральный диапазон достигается за счет подложки из карбида кремния
Выбор субстрата стал решающим шагом в улучшении маленькой световой ловушки. «Полупроводниковые подложки, использовавшиеся в прошлом, всегда поглощали волны определенной длины, но карбид кремния остается пассивным в спектральном диапазоне», — пояснил Стефан Виннерл. Также есть антенна, которая действует как воронка и улавливает длинноволновое инфракрасное и терагерцовое излучение. Таким образом, ученые смогли увеличить спектральный диапазон в 90 раз по сравнению с предыдущей моделью, сделав самую короткую обнаруживаемую длину волны в 1000 раз меньше самой длинной. Для сравнения, красный свет, который имеет самую длинную длину волны, видимую человеческим глазом, всего в два раза длиннее фиолетового света, который имеет самую короткую длину волны в видимом спектре.
Этот универсальный оптический детектор уже используется в HZDR для точной синхронизации двух лазеров на свободных электронах в Центре мощных источников излучения ELBE с другими лазерами. Это выравнивание особенно важно для экспериментов с «накачкой», как их называют, когда исследователь берет один лазер для возбуждения материала («накачка»), а затем использует второй лазер с другой длиной волны для измерения («зонд»). ). Для таких экспериментов лазерные импульсы должны быть точно синхронизированы. Итак, ученые используют детектор графена как секундомер. Он сообщает им, когда лазерные импульсы достигают своей цели, а большая полоса пропускания помогает предотвратить изменение детектора, которое может стать потенциальным источником ошибки.
Еще одно преимущество состоит в том, что все измерения можно проводить при комнатной температуре, что устраняет необходимость в дорогостоящих и трудоемких процессах охлаждения азота или гелия с другими детекторами.