Графеновый фотодетектор научили «видеть» поляризованный свет
Физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали фотодетектор, способный различать информацию о поляризационном состоянии световой волны.
Наш глаз может различать две характеристики света — цвет и яркость, хотя у многих животных есть способность видеть ещё одно свойство света — его поляризацию. Представьте себе пса, который тащит в зубах длинную палку. Пока он бежит по чистому полю, то особо не важно, как он держит свою ношу. Но стоит нашему четырёхлапому естествоиспытателю подойти к узкой калитке, как он довольно быстро выяснит, что держа палку горизонтально, пройти сквозь калитку не получится. У световых волн тоже есть своя «плоскость», которая может помешать свету пройти сквозь такую оптическую «калитку», если эта плоскость окажется, условно говоря, поперёк. Калитка — это поляризационный фильтр, пропускающий свет только с определённой поляризацией. Человеку, чтобы увидеть поляризацию света, нужно вооружиться поляризационными очками. Смотря через них на небо или на поверхность воды, можно наблюдать изменение яркости картинки при вращении очков (или повороте головы).
Но если птицам или насекомым поляризованный свет нужен больше для ориентации на местности, то человечеству с его разросшимся в последнее время миром цифровых технологий свет нужен для передачи информации. Под водой и землёй тянутся миллионы километров оптоволоконных линий связи, по которым туда-сюда путешествуют зеттабайты полезной и не очень информации. Проблема насыщения каналов вышла уже и на околоземную орбиту, где спутники связи обмениваются информацией с помощью лазерных лучей. И что же делать?
С похожей проблемой сталкивались летописцы раннего средневековья, когда бумага и прочие писчие материалы были в большом дефиците. Тогда распространённой практикой было соскабливание старого текста с листов и записывание поверх него нового. Для летописцев это была головная боль, зато для современных исследователей такая книга — большой подарок. С современными технологиями не проблема напечатать на одной странице не только две, но даже больше страниц вполне читаемого текста. Сначала — как обычно, потом расположив текст поперёк, а следующий текст — распечатав поверх первых двух другим цветом. Процесс можно повторять до тех пор, пока текст можно распознавать, пусть и с помощью компьютерных алгоритмов, но всё ещё с приемлемым количеством ошибок.
При передаче данных по оптоволокну другой цвет чернил соответствовал бы другой длине волны излучения, а повернутый текст — повернутой поляризации. Такие ухищрения как раз и позволяют одновременно задействовать несколько параллельных информационных каналов на одной линии связи. Передача сигналов, зашифрованных в поляризации, распространена не так широко, но иногда бывает незаменима. Например, она используется спутниками для передачи данных. А иногда скрытая в поляризации информация может и вовсе быть уникальной, как, например, поляризация космического излучения. Расшифровка таких данных позволяет получить новые научные знания в задачах астрофизики.
Одна из сложностей передачи информации по поляризационному каналу состоит в её последующем считывании, для чего нужны детекторы с некоторыми выделенными направлениями. Например, это могут быть детекторы с вращающимся поляризатором. Однако наличие механических частей сильно ограничивает такой детектор в скорости работы. Поэтому для оптоволоконных линий связи нового поколения используют детекторы с анизотропными переключаемыми материалами.
Как пишут в Applied Physics Letters физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, им удалось разработать фотодетектор на основе графена, способный различать информацию о поляризационном состоянии световой волны. Исследователи обнаружили анизотропию (т. е. различие свойств вещества вдоль разных направлений) в детекторе на переходе «графен — металл».
Схематическое изображение фотодетектора на основе графена с двумя металлическими контактами (сток и исток) и управляющим контактом (затвор) на кремниевой подложке. Затвор используется в качестве управляющего элемента, подача напряжения на который образует электрическое поле, которое, в свою очередь, позволяет регулировать электронные свойства графена. Именно такая электрическая регулировка позволяет значительно повысить скорость работы детектора по сравнению с механическими вариантами. Кроме того, управляющее затворное напряжение не создает дополнительных шумов, так как оно не подается напрямую между двумя контактами к графену. Илл.: Пресс-служба МФТИ.
Оказалось, что излучение, поляризованное перпендикулярно границе «графен — металл», заметно усиливается, а при определённом состоянии детектора (переход «графен — металл» управляется электрическим полем, примерно как это происходит в полевом транзисторе) сигнал перестаёт зависеть от поляризации — детектор как будто «снимает» поляризационные очки. Исследователи надеются, что эта идея поможет создать принципиально новые классы фотодетекторов для спектроскопии, скоростных оптоволоконных линий связи и видеокамер.
По материалам пресс-службы МФТИ.
