Η τεχνολογία Terahertz (THz) είναι χρήσιμη σε εφαρμογές όπως η βιοϊατρική απεικόνιση, οι τηλεπικοινωνίες και τα προηγμένα συστήματα ανίχνευσης. Ωστόσο, λόγω της μοναδικής φύσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στην περιοχή 0.1 έως 10 terahertz, ήταν δύσκολο να αναπτυχθούν εξαρτήματα υψηλής απόδοσης που να καταδεικνύουν τις πραγματικές δυνατότητες της τεχνολογίας terahertz. Ακόμη και ο σχεδιασμός ουσιαστικά εξαρτημάτων χωρίς εξαρτήματα, όπως φίλτρα και απορροφητές, παραμένει μια τεράστια πρόκληση.
Ευτυχώς, η άνοδος των μεταϋλικών μπορεί να οδηγήσει σε καινοτόμες λύσεις σε αυτά τα προβλήματα. Χάρη στις προόδους στις τεχνολογίες κατασκευής και επεξεργασίας, είναι πλέον δυνατή η κατασκευή δισδιάστατων (2D) μικροδομών με μοτίβα με μοναδικές ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες στην περιοχή terahertz, επιτρέποντας άνευ προηγουμένου έλεγχο των σημάτων σε αυτές τις συχνότητες.
Παρόλο που έχει προταθεί μια ποικιλία από δισδιάστατα μεταϋλικά (ή «υπερεπιφάνειες») για υλικά απορρόφησης κυμάτων, τα περισσότερα από αυτά εξακολουθούν να έχουν σοβαρούς περιορισμούς. Ένα συνηθισμένο πρόβλημα είναι ότι μόλις αναγνωριστούν και κατασκευαστούν οι δομικοί τρόποι ενός απορροφητικού υλικού υπερεπιφανείας, οι ηλεκτρομαγνητικές του ιδιότητες διορθώνονται.
Αυτή η μη δυνατότητα ρύθμισης περιορίζει τις πιθανές εφαρμογές τέτοιων συσκευών. Από την άλλη πλευρά, αν και υπάρχουν ρυθμίσιμοι απορροφητές υπερεπιφανείας με βάση το μέταλλο, η χρήση λεπτών μεταλλικών στρωμάτων αποθαρρύνεται. Αυτό οφείλεται σε πολλά μειονεκτήματα, όπως η δυσκολία κατασκευής των απαραίτητων δομών και η κακή απόδοση λόγω των εγγενών ιδιοτήτων των μετάλλων.
Σε αυτό το πλαίσιο, η ομάδα του Δρ. Wenhan Cao στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σαγκάης έχει αναπτύξει έναν νέο συντονιζόμενο μετα-επιφανειακό απορροφητή με βάση άνθρακα με εξαιρετικά ευρύ συντονιζόμενο εύρος ζώνης στην περιοχή terahertz. Αυτή η έρευνα που διευθύνεται από τον Δρ Wenhan Cao δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Advanced Photonics Nexus.
"Ο πυρήνας του απορροφητή χρησιμοποιεί μικροδομές γραφενίου και γραφίτη ως συντονιστές και στρώματα γραφίτη ως επιφάνειες που αντανακλούν προς τα πίσω." Ο Δρ Wenhan Cao εξηγεί, «Οι επαναλαμβανόμενες υπομονάδες (ή «κύτταρα») σε αυτόν τον απορροφητή μεταεπιφάνειας terahertz έχουν σχεδιαστεί στρατηγικά για να βελτιστοποιούν την αποτελεσματικότητα απορρόφησης με βάση τέσσερις κύριους παράγοντες: γεωμετρία, ιδιότητες υλικού, ευαισθησία πόλωσης και μηχανισμό συντονισμού».
Όσον αφορά τη γεωμετρία, ο απορροφητής αποτελείται από τρία λεπτά στρώματα. Το επάνω στρώμα είναι ένα αγώγιμο στρώμα με σχέδια που περιέχει ομόκεντρους δακτυλίους γραφίτη που διασυνδέονται με σύρματα γραφενίου. Το δεύτερο στρώμα είναι ένα απλό διηλεκτρικό που βοηθά στην εξάλειψη των ανεπιθύμητων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. και το τρίτο στρώμα είναι ένα απορροφητικό στρώμα που εμποδίζει τα κύματα terahertz να διεισδύσουν απευθείας μέσω της συσκευής, μεγιστοποιώντας έτσι την απόδοση απορρόφησης.
Η επιλογή υλικού και ο γεωμετρικός σχεδιασμός του απορροφητή βελτιστοποιούνται με αριθμητική ανάλυση και προσομοίωση, γεγονός που συμβάλλει στην αξιοσημείωτη απορρόφησή του στην περιοχή των terahertz. Σημειωτέον, μια βασική ιδιότητα του προτεινόμενου απορροφητή είναι η δυνατότητα συντονισμού του, η οποία πηγάζει από τα συντονίσιμα επίπεδα ενέργειας Fermi. Αυτή η παράμετρος είναι κρίσιμη για την τεχνολογία υλικών και ημιαγωγών καθώς καθορίζει την κατανομή των ηλεκτρονίων σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας.
Εφαρμόζοντας μια τάση σε ένα στρώμα γραφενίου, είναι δυνατό να αλλάξει το επίπεδο ενέργειας Fermi του και έτσι να ρυθμιστεί εύκολα το εύρος ζώνης απορρόφησης. Ο Δρ Wenhan Cao τόνισε, «Σε επίπεδο ενέργειας Fermi 1 eV, ο προτεινόμενος απορροφητής μπορεί να επιτύχει ένα εκπληκτικά ευρύ εύρος ζώνης 8,99 THz, παρέχοντας περισσότερο από 90% απορρόφηση στο εύρος συχνοτήτων από 7,24 έως 16,23 THz, με δύο διακριτές κορυφές συντονισμού στα 8,35 THz και 14,70 THz."
Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου σχεδιασμού είναι η μη ευαισθησία του στη γωνία πόλωσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η χρήση ομόκεντρων κύκλων στο κελί του απορροφητή αποδίδει φυσικά αυτή την ευνοϊκή ιδιότητα. Ο κύκλος, έχοντας ένα απόλυτα συμμετρικό σχήμα, επιτρέπει στον απορροφητή να διατηρεί υψηλό ρυθμό απορρόφησης σε γωνίες πρόσπτωσης έως και 50 μοίρες.
Εν ολίγοις, τα πολλά πλεονεκτήματα του προτεινόμενου σχεδιασμού σε συνδυασμό με την απλότητά του αντιπροσωπεύουν μια πραγματική ανακάλυψη στην τεχνολογία terahertz." Ο προτεινόμενος απορροφητής προσφέρει μια εξαιρετικά λεπτή, απλή δομή χωρίς μέταλλα με μεγάλο ρυθμιζόμενο εύρος ζώνης απορρόφησης σε χαμηλό πάχος, το οποίο σε μεγάλο βαθμό Τα πλεονεκτήματα αυτά ξεπερνούν άλλους αναφερόμενους απορροφητές.
Στο εγγύς μέλλον, οι συσκευές terahertz θα γίνουν μέρος της καθημερινής τεχνολογίας, ειδικά σε τομείς όπως η ιατρική και οι επικοινωνίες, καθώς και τομείς που προσανατολίζονται περισσότερο στην έρευνα, όπως η επιστήμη των υλικών και η βιολογία.
