Свет может быть замедлен до полной остановки — открытие российских физиков

Сейчас, как правило, эффективность сбора энергии пропорциональна площади поглотителя. Наглядный пример этого — «поля» солнечных батарей, которыми усеяны многие пустыни.

Явление резонансного поглощения света используется и для приема электромагнитных волн — в диапазонах от радиочастотного до ультрафиолетового. Наиболее практичный резонансный приемник — антенна, которая должна быть длиной около половины длины волны принимаемого излучения. Если антенна будет меньше, то заметно теряет в чувствительности. Например, для мобильной передачи данных по протоколу 6G предлагается использовать частоту в 0,1 терагерц. Значит, для этого нужна антенна размером около 3 мм, что потребует слишком большой и дорогостоящей площади на чипе смартфона. Так что исследователи по всему миру ищут возможности создания сверхкомпактных поглотителей излучения.

Российские физики научили графеновые покрытия поглощать излучение с гораздо большей площади, чем сам «приемник». Для этого частота излучения должна находиться в резонансе с движением электронов в поглотителе. Так эффективность захвата может возрасти примерно в 200 000 раз.

Однако электроны из электромагнитного излучения движутся быстро, а на поверхности антенны из твердого материала — медленно. Чтобы решить эту проблему, исследователи намагнитили графен. Это позволило замедлить электроны принимаемого излучения на поверхности антенны. Так привычные электромагнитные волны превратились в сверхмедленные поверхностные, бегущие по графену, что сильно увеличило эффективность поглощения.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Physics, о них кратко сообщили в пресс-службе МФТИ.

Исследователи из Физтеха работали вместе с коллегами из Университета Регенсбурга (Германия), Массачусетского технологического института и Университета Канзаса (США). Эксперименты проводились именно в терагерцовом электромагнитном диапазоне, который сейчас используется наиболее часто — например, в сетях мобильной связи. Графен освещался излучением терагерцового лазера. Терагерцовые эксперименты были выполнены в лабораториях Университета Регенсбурга.

Выяснилось, что подмагничивание графена «закручивает» электроны, тем самым создавая условия для нужного резонанса. Падающий на графен свет улавливается и превращается в сверхмедленную поверхностную волну, такие волны «застревают» в графене и находятся в нем, пока не будут поглощены.

«Факт усиления поглощения при возбуждении медленных поверхностных волн был известен достаточно давно, — рассказывает Денис Бандурин, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. — Однако раньше считалось, что поверхностные волны на полупроводниках не могут быть медленнее, чем электроны, которые движутся в волне. В графене скорость электронов где-то в 300 раз медленнее скорости света. Наше исследование показывает, что предела для замедления света фактически не существует — он может быть замедлен до полной остановки при включении уже небольшого магнитного поля».

Необычным в данном случае является и то, что графен совмещает в себе три роли: антенны, поглотителя и генератора фототока. Обычно в полупроводниковой технике эти роли отводятся разным материалам и разным приборам.

В этом исследовании графен оказался очень удобной платформой для наблюдения. Однако явление не ограничено только этим материалом — множество природных материалов поддерживают сверхмедленные поверхностные волны. Одна из ближайших задач команды — создание компактных сверхпоглотителей.