由英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所 (NGI) 和賓夕法尼亞州立工程學院的研究人員共同領導的一個國際團隊開發(fā)了一種基于石墨烯的可調(diào)平臺，可以對相互作用進行精細控制太赫茲 (THz) 光譜中的光和物質(zhì)之間的關系，以揭示被稱為異常點的罕見現(xiàn)象。該團隊今天在《科學》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

研究人員表示，這項工作可以推進光電技術，以更好地產(chǎn)生、控制和感知光以及潛在的通信。他們展示了一種控制太赫茲波的方法，太赫茲波的頻率介于微波和紅外波之間。這一壯舉可能有助于開發(fā)用于高速通信網(wǎng)絡的“超越 5G”無線技術。

弱相互作用和強相互作用

光和物質(zhì)可以耦合，在不同層面相互作用：弱，它們可能相關但不會改變彼此的成分;或者強烈地，它們的相互作用可以從根本上改變系統(tǒng)?？刂岂詈先绾螐娜醯綇娫僮兓貋淼哪芰σ恢笔峭七M光電設備的主要挑戰(zhàn)——研究人員現(xiàn)在已經(jīng)解決了這一挑戰(zhàn)。

曼徹斯特大學二維器件材料教授、共同通訊作者 Coskun Kocabas 說：“我們已經(jīng)展示了一種使用拓撲概念的新型光電器件——這是研究幾何物體特性的數(shù)學分支。” “使用特殊的點奇點，我們表明拓撲概念可用于設計光電設備，從而實現(xiàn)操縱太赫茲光的新方法。”

Kocabas 還隸屬于總部位于曼徹斯特的亨利·羅伊斯先進材料研究所。

例外點是光譜奇點——開放系統(tǒng)中任意兩個光譜值合并的點。賓州州立大學工程科學與力學副教授、共同通訊作者 ?ahin K. Özdemir 表示，不出所料，它們異常敏感，甚至會對系統(tǒng)的最小變化做出反應，揭示出奇怪但令人向往的特征。

“在一個特殊的時刻，系統(tǒng)的能源格局發(fā)生了相當大的變化，導致維度降低和拓撲偏斜，”同時隸屬于賓夕法尼亞州立大學材料研究所的 Özdemir 說。“這反過來又增強了系統(tǒng)對擾動的響應，改變了導致自發(fā)發(fā)射率提高的局部狀態(tài)密度，并導致了過多的現(xiàn)象?？刂飘惓｜c以及發(fā)生在它們上的物理過程，可以導致更好的傳感器、成像、激光等應用。”

平臺組成

研究人員開發(fā)的平臺包括一個基于石墨烯的可調(diào)諧太赫茲諧振器，一個金箔柵電極形成一個底部反射鏡。在其上方，石墨烯層以電極為末端，形成可調(diào)節(jié)的頂鏡。非揮發(fā)性離子液體電解質(zhì)層位于反射鏡之間，可通過改變施加的電壓來控制頂部反射鏡的反射率。在設備的中間，鏡子之間，是α乳糖分子，一種常見于牛奶中的糖。

該系統(tǒng)由兩個調(diào)節(jié)器控制。提高下鏡以改變腔的長度——調(diào)整共振頻率以將光與有機糖分子的集體振動模式耦合，有機糖分子作為系統(tǒng)的固定數(shù)量的振蕩器。另一個調(diào)節(jié)器改變施加到頂部石墨烯反射鏡的電壓——改變石墨烯的反射特性以轉(zhuǎn)變能量損失不平衡以調(diào)節(jié)耦合強度。微妙的微調(diào)將弱耦合的太赫茲光和有機分子轉(zhuǎn)變?yōu)閺婑詈?，反之亦然?/p>

“異常點與太赫茲光的弱耦合和強耦合機制與集體分子振動之??間的交叉點相吻合，”Özdemir 說。

他指出，這些奇點通常在模擬模式或系統(tǒng)的耦合中進行研究和觀察，例如兩種光學模式、電子模式或聲學模式。

“這項工作是罕見的案例之一，其中證明了在具有不同物理起源的兩種模式的耦合中會出現(xiàn)異常點，”科卡巴斯說。“由于異常點的拓撲結(jié)構(gòu)，我們觀察到太赫茲光的幅度和相位發(fā)生了顯著調(diào)制，這可以在下一代太赫茲通信中找到應用。”

太赫茲頻譜中前所未有的相位調(diào)制

當研究人員施加電壓并調(diào)整共振時，他們將系統(tǒng)驅(qū)動到一個特殊的點甚至更遠。在異常點之前、之時和之后，系統(tǒng)的幾何特性(拓撲)會發(fā)生變化。

一種這樣的變化是相位調(diào)制，它描述了波在太赫茲場中傳播和相互作用時如何變化。研究人員表示，控制太赫茲波的相位和幅度是一項技術挑戰(zhàn)，但他們的平臺展示了前所未有的相位調(diào)制水平。研究人員將系統(tǒng)移動通過異常點，以及沿著不同方向的異常點周圍的循環(huán)，并測量它如何通過變化做出響應。根據(jù)測量點的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，相位調(diào)制的范圍可以從零到大四個數(shù)量級。

第一作者 M. Said Ergoktas 說：“我們可以通過一個特殊點對設備進行電氣控制，從而實現(xiàn)對反射拓撲的電氣控制。” “只有通過電子方式控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，我們才能實現(xiàn)這些巨大的調(diào)制。”

據(jù)研究人員稱，基于石墨烯的平臺實現(xiàn)的異常點周圍光物質(zhì)相互作用的拓撲控制具有從拓撲光電和量子器件到物理和化學過程的拓撲控制的潛在應用。