Graphene-enabled coherent (sub-)terahertz wave detection and thickness determination
Questo articolo presenta un interferometro-rilevatore integrato su chip, abilitato dal grafene, che raggiunge una responsività e una rilevazione terahertz (sub-)sensibile alla fase ai massimi storici, consentendo misurazioni di spessore profondamente sub-lunghezza d'onda di film sottili per diverse applicazioni industriali.
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Nel mondo della luce invisibile, esiste una regione dello spettro nota come intervallo dei terahertz. Queste onde si collocano tra le microonde utilizzate per il Wi-Fi e la luce infrarossa percepita come calore. Per decenni, gli scienziati hanno desiderato utilizzare queste onde per vedere attraverso oggetti solidi senza danneggiarli, in modo simile ai raggi X ma più sicuri per i tessuti viventi. Questa capacità potrebbe rivoluzionare il modo in cui ispezioniamo la vernice delle auto, controlliamo l'integrità dei materiali edilizi o persino osserviamo l'universo lontano per capire come si sono formate le galassie. Tuttavia, un grande ostacolo ha sempre ostacolato questo obiettivo: i rilevatori standard per questo tipo di luce possono misurare solo quanto è forte l'onda, non la sua fase. La fase è una proprietà sottile che ci dice esattamente dove si trova l'onda nel suo ciclo di vibrazione. Senza conoscere la fase, è difficile misurare lo spessore preciso di strati sottili o trasmettere dati complessi attraverso l'aria. Per ottenere questa informazione, i ricercatori solitamente dovevano costruire macchine grandi e delicate che richiedevano un allineamento perfetto, rendendole poco pratiche per l'uso quotidiano.
Un team di ricercatori ha ora costruito un piccolo dispositivo autonomo che risolve questo problema trasformando un semplice chip in un rilevatore altamente sensibile e in uno strumento di misura preciso allo stesso tempo. Hanno creato un sensore utilizzando un singolo strato di atomi di carbonio, noto come grafene, racchiuso tra fogli protettivi e posizionato sotto una piccola antenna metallica. L'intero assemblaggio poggia su un chip di silicio che funge da specchio, formando una minuscola cavità dove le onde in arrivo possono rimbalzare avanti e indietro. Quando le onde terahertz entrano in questo spazio, interferiscono con se stesse, creando un modello di picchi e valli nel segnale che dipende interamente dalla fase della luce. Poiché il grafene è così sottile e reattivo, converte questi minuscoli cambiamenti nella fase dell'onda direttamente in una corrente elettrica che può essere misurata. Il risultato è un dispositivo che non è solo incredibilmente sensibile, ma anche capace di rilevare la fase della luce senza bisogno di alcuna fonte di alimentazione esterna o cablaggi complessi.
I ricercatori hanno testato il loro dispositivo proiettando un fascio continuo di luce terahertz su di esso e osservando come il segnale elettrico cambia mentre spostano il rilevatore avanti e indietro. Hanno scoperto che il segnale saliva e scendeva con un ritmo prevedibile, confermando che il dispositivo stava effettivamente agendo come un interferometro, uno strumento che misura le onde attraverso la loro interferenza. A una frequenza specifica di 89 gigahertz, il dispositivo ha mostrato un enorme picco di sensibilità, catturando la luce con un'efficienza che superava di gran lunga qualsiasi altro rilevatore simile realizzato senza un'alimentazione esterna. Il dispositivo era così reattivo da poter rilevare la presenza della luce con un livello di rumore così basso da essere misurato in trilionesimi di watt. Questa elevata prestazione deriva dal modo in cui la cavità di silicio intrappola la luce, costringendola a interagire con il grafene più volte prima di passare attraverso, amplificando efficacemente il segnale.
Oltre a rilevare semplicemente la luce, il team ha dimostrato come questa sensibilità di fase possa essere utilizzata per misurare lo spessore dei materiali con una precisione sorprendente. Hanno posizionato sottili fogli di diversi materiali, come carta, plastica e silicio, tra la sorgente luminosa e il rilevatore. Mentre la luce passava attraverso questi fogli, la sua fase subiva una leggera variazione, causando lo scivolamento laterale dell'intero schema di picchi e valli nel segnale del rilevatore. Misurando esattamente quanto il modello si fosse spostato, i ricercatori potevano calcolare lo spessore del materiale. Hanno raggiunto un'accuratezza di appena pochi micrometri, che è migliaia di volte più piccola della lunghezza d'onda della luce stessa. Questo livello di precisione è paragonabile a misurare lo spessore di un capello umano con un righello, ma eseguito con onde invisibili.
Le implicazioni di questo lavoro vanno ben oltre il laboratorio. Poiché il dispositivo è piccolo, passivo e altamente accurato, potrebbe essere integrato in sistemi per test non distruttivi nelle fabbriche, dove potrebbe controllare la qualità dei rivestimenti sulle auto o gli strati di isolamento negli edifici senza mai toccarli. Apre anche la porta a nuove forme di comunicazione wireless che utilizzano la fase per codificare i dati, rendendo potenzialmente le reti future più veloci e sicure. Sebbene l'attuale versione del dispositivo sia limitata dalla stabilità della sorgente luminosa utilizzata, i ricercatori dimostrano che con una sorgente più stabile, l'accuratezza potrebbe essere spinta verso la scala dei nanometri. Questo traguardo segna un passo significativo nel rendere il rilevamento coerente delle onde, una tecnica precedentemente riservata a configurazioni massive e complesse, disponibile su un chip compatto che un giorno potrebbe stare in una tasca o in uno smartphone.
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