La tecnologia Terahertz (THz) és útil en aplicacions com ara la imatge biomèdica, les telecomunicacions i els sistemes de detecció avançats. Tanmateix, a causa de la naturalesa única de les ones electromagnètiques en el rang de 0,1 a 10 terahertz, ha estat difícil desenvolupar components d'alt rendiment que demostrin el veritable potencial de la tecnologia de terahertz. Fins i tot el disseny de peces essencialment sense components, com ara filtres i absorbidors, continua sent un gran repte.
Afortunadament, l'augment dels metamaterials pot conduir a solucions innovadores a aquests problemes. Gràcies als avenços en les tecnologies de fabricació i processament, ara és possible fabricar microestructures amb patrons bidimensionals (2D) amb propietats electromagnètiques úniques en el rang de terahertz, permetent un control sense precedents dels senyals a aquestes freqüències.
Tot i que s'han proposat una varietat de metamaterials 2D (o "hipersuperfícies") per als materials que absorbeixen les ones, la majoria d'ells encara tenen serioses limitacions. Un problema comú és que un cop s'han identificat i fabricat els modes estructurals d'un material que absorbeix la hipersuperfície, les seves propietats electromagnètiques es fixen.
Aquesta no adaptabilitat limita les possibles aplicacions d'aquests dispositius. D'altra banda, tot i que existeixen absorbents d'hipersuperfície basats en metalls ajustables, es desaconsella l'ús de capes fines de metall. Això es deu a diversos inconvenients, com ara la dificultat de fabricar les estructures necessàries i el baix rendiment a causa de les propietats inherents dels metalls.
En aquest context, l'equip del Dr. Wenhan Cao a la Universitat de Ciència i Tecnologia de Xangai ha desenvolupat un nou absorbidor de metasuperfície ajustable basat en carboni amb una amplada de banda ajustable ultra ample en el rang de terahertz. Aquesta investigació dirigida pel Dr. Wenhan Cao es va publicar recentment a Advanced Photonics Nexus.
"El nucli de l'absorbidor utilitza microestructures de grafè i grafit com a ressonadors i capes de grafit com a superfícies reflectants". El doctor Wenhan Cao explica: "Les subunitats repetitives (o 'cèl·lules') d'aquest absorbidor de metasuperfície de terahertz s'han dissenyat estratègicament per optimitzar l'eficiència d'absorció basant-se en quatre factors principals: geometria, propietats del material, sensibilitat de polarització i mecanisme d'ajust".
Pel que fa a la geometria, l'absorbidor consta de tres capes fines. La capa superior és una capa conductora estampada que conté anells de grafit concèntrics interconnectats per cables de grafè; la segona capa és un dielèctric simple que ajuda a dissipar les ones electromagnètiques no desitjades; i la tercera capa és una capa absorbent que evita que les ones de terahertz penetrin directament a través del dispositiu, maximitzant així l'eficiència d'absorció.
La selecció del material i el disseny geomètric de l'absorbidor s'optimitzen mitjançant l'anàlisi numèrica i la simulació, la qual cosa contribueix a la seva notable absorció en el rang de terahertz. En particular, una propietat clau de l'absorbidor proposat és la seva ajustabilitat, que deriva dels nivells d'energia de Fermi ajustables. Aquest paràmetre és crucial en la tecnologia de materials i semiconductors, ja que determina la distribució dels electrons en diferents nivells d'energia.
Aplicant una tensió a una capa de grafè, és possible canviar el seu nivell d'energia Fermi i, per tant, ajustar fàcilment l'amplada de banda d'absorció. El Dr. Wenhan Cao va destacar: "A un nivell d'energia Fermi d'1 eV, l'absorbidor proposat pot aconseguir un ample de banda sorprenentment ampli de 8,99 THz, proporcionant més del 90% d'absorció en el rang de freqüències de 7,24 a 16,23 THz, amb dos pics de ressonància diferents. a 8,35 THz i 14,70 THz".
Un altre avantatge significatiu del disseny proposat és la seva insensibilitat a l'angle de polarització de la radiació incident. L'ús de cercles concèntrics a la cel·la de l'absorbidor dóna naturalment aquesta propietat favorable. El cercle, al ser una forma perfectament simètrica, permet que l'absorbidor mantingui una alta taxa d'absorció en angles d'incidència de fins a 50 graus.
En resum, els nombrosos avantatges del disseny proposat combinats amb la seva senzillesa representen un veritable avenç en la tecnologia de terahertz." L'absorbidor proposat ofereix una estructura simple i ultrafina sense metall amb un ample de banda d'absorció ajustable a un baix gruix, que en gran mesura millora la seva aplicabilitat.Aquests avantatges superen altres absorbents reportats.
En un futur proper, els dispositius de terahertz passaran a formar part de la tecnologia quotidiana, especialment en àrees com la medicina i les comunicacions, així com en camps més orientats a la investigació com la ciència dels materials i la biologia.
