Terahertz (THz) tehnologija korisna je u aplikacijama kao što su biomedicinsko snimanje, telekomunikacije i napredni senzorski sustavi. Međutim, zbog jedinstvene prirode elektromagnetskih valova u rasponu 0.1 do 10 teraherca, bilo je teško razviti komponente visokih performansi koje demonstriraju pravi potencijal teraherc tehnologije. Čak i dizajn dijelova koji su uglavnom bez komponenti kao što su filtri i apsorberi ostaje veliki izazov.
Srećom, porast metamaterijala može dovesti do inovativnih rješenja za ove probleme. Zahvaljujući napretku u tehnologijama izrade i obrade, sada je moguće proizvesti dvodimenzionalne (2D) mikrostrukture s uzorkom s jedinstvenim elektromagnetskim svojstvima u terahercnom rasponu, što omogućuje neviđenu kontrolu signala na tim frekvencijama.
Iako su različiti 2D metamaterijali (ili "hiperpovršine") predloženi za materijale koji apsorbiraju valove, većina njih još uvijek ima ozbiljna ograničenja. Uobičajeni problem je da kada su strukturni načini materijala koji apsorbira hiperpovršinu identificirani i proizvedeni, njegova elektromagnetska svojstva su fiksirana.
Ova nepodesivost ograničava moguće primjene takvih uređaja. S druge strane, iako postoje podesivi hiperpovršinski apsorberi na bazi metala, upotreba tankih metalnih slojeva se ne preporučuje. To je zbog nekoliko nedostataka, kao što je poteškoća u izradi potrebnih struktura i loša izvedba zbog inherentnih svojstava metala.
U tom kontekstu, tim dr. Wenhana Caoa na Sveučilištu za znanost i tehnologiju u Šangaju razvio je novi podesivi metapovršinski apsorber na bazi ugljika s ultraširokom podesivom širinom pojasa u rasponu teraherca. Ovo istraživanje koje je vodio dr. Wenhan Cao nedavno je objavljeno u časopisu Advanced Photonics Nexus.
"Jezgra apsorbera koristi mikrostrukture grafena i grafita kao rezonatore i slojeve grafita kao površine koje reflektiraju leđa." Dr. Wenhan Cao objašnjava: "Ponavljajuće podjedinice (ili 'stanice') u ovom terahercnom metapovršinskom apsorberu strateški su dizajnirane za optimizaciju učinkovitosti apsorpcije na temelju četiri glavna čimbenika: geometrije, svojstava materijala, polarizacijske osjetljivosti i mehanizma ugađanja."
Geometrijski apsorber se sastoji od tri tanka sloja. Gornji sloj je vodljivi sloj s uzorkom koji sadrži koncentrične grafitne prstenove međusobno povezane grafenskim žicama; drugi sloj je jednostavan dielektrik koji pomaže raspršiti neželjene elektromagnetske valove; a treći sloj je apsorbirajući sloj koji sprječava teraherc valove da prodru izravno kroz uređaj, čime se maksimizira učinkovitost apsorpcije.
Odabir materijala i geometrijski dizajn apsorbera optimizirani su numeričkom analizom i simulacijom, što pridonosi njegovoj izvanrednoj apsorpciji u području teraherca. Važno je napomenuti da je ključno svojstvo predloženog apsorbera njegova prilagodljivost, koja proizlazi iz podesivih Fermijevih energetskih razina. Ovaj je parametar ključan u tehnologiji materijala i poluvodiča jer određuje distribuciju elektrona u različitim energetskim razinama.
Primjenom napona na sloj grafena, moguće je promijeniti njegovu Fermijevu energetsku razinu i tako jednostavno fino podesiti apsorpcijski pojas. Dr. Wenhan Cao je naglasio: "Na Fermijevoj energetskoj razini od 1 eV, predloženi apsorber može postići zapanjujuće široku propusnost od 8,99 THz, pružajući više od 90% apsorpcije u frekvencijskom rasponu od 7,24 do 16,23 THz, s dva različita vrha rezonancije na 8,35 THz i 14,70 THz."
Još jedna značajna prednost predloženog dizajna je njegova neosjetljivost na kut polarizacije upadnog zračenja. Korištenje koncentričnih krugova u ćeliji apsorbera prirodno daje ovo povoljno svojstvo. Krug, budući da je savršeno simetričnog oblika, omogućuje apsorberu da održi visoku stopu apsorpcije pri upadnim kutovima do 50 stupnjeva.
Ukratko, mnoge prednosti predloženog dizajna u kombinaciji s njegovom jednostavnošću predstavljaju pravi proboj u teraherc tehnologiji." Predloženi apsorber nudi ultratanku, jednostavnu strukturu bez metala sa širokim podesivim pojasom apsorpcije pri maloj debljini, što uvelike povećava njegovu primjenjivost. Ove prednosti nadmašuju druge prijavljene apsorbere.
U bliskoj budućnosti teraherc uređaji postat će dio svakodnevne tehnologije, posebice u područjima kao što su medicina i komunikacije, kao i u područjima koja su više orijentirana na istraživanje poput znanosti o materijalima i biologije.
