超薄金薄片可極大地放大下面的石墨烯層中傳入的太赫茲脈沖(紅色)，從而實現有效的倍頻。圖片來源：HZDR / Werkstatt X

在電磁頻譜上，太赫茲光位于紅外輻射和微波之間。它具有未來技術的巨大潛力：除其他外，它可以通過實現極快的移動通信連接和無線網絡來成功實現5G。從千兆赫茲到太赫茲頻率過渡的瓶頸是由于效率和效率不足造成的。由Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)參與的德國-西班牙研究小組現已開發出一種材料系統，該系統可以比以前更有效地產生太赫茲脈沖。它基于石墨烯，即涂有金屬層狀結構的超薄碳片。該研究小組在ACS Nano雜志上介紹了其結果。

不久前，研究HZDR加速器ELBE的專家團隊能夠證明石墨烯可以充當倍頻器：當在低太赫茲頻率范圍內向二維碳照射光脈沖時，它們會轉換為更高的頻率。頻率。迄今為止，問題在于，要有效地產生這種太赫茲脈沖，就需要非常強的輸入信號，而這些信號又只能由滿量程的粒子加速器產生。研究的主要作者HZDR輻射物理研究所的Jan-Christoph Deinert。“因此，我們尋找一種材料系統，該系統也可以使用更少的暴力輸入，即具有較低的場強。”

為此，HZDR科學家與加泰羅尼亞納米科學和納米技術研究所(ICN2)，光子科學研究所(ICFO)，比勒費爾德大學，柏林工業大學和位于美因茲的馬克斯·普朗克聚合物研究所的同事們，提出了一個新主意：可以通過在石墨烯上涂上具有迷人特性的微小金薄片來極大地提高頻率轉換：“它們就像天線一樣，可以顯著放大石墨烯中進入的太赫茲輻射，”項目協調員Klaas-來自ICN2的Jan Tielrooij。“結果，我們獲得了非常強的電場，石墨烯暴露在片層之間。這使我們能夠非常有效地產生太赫茲脈沖。”

令人驚訝的有效倍頻

為了驗證這個想法，巴塞羅那ICN2的團隊成員制作了樣品：首先，他們在玻璃載體上涂了一層石墨烯。在其頂部，他們氣相沉積了氧化鋁的超薄絕緣層，然后沉積了金帶。然后將樣品送到位于德累斯頓-羅森多夫(Dresden-Rossendorf)的TELBE太赫茲工廠，在那里用低太赫茲范圍(0.3至0.7 THz)的光脈沖擊中樣品。在此過程中，專家使用特殊的檢測器來分析涂有金薄片的石墨烯如何有效地增加入射輻射的頻率。

“效果很好。”謝爾蓋·科瓦廖夫(Sergey Kovalev)高興地報道。他負責HZDR的TELBE設施。“與未經處理的石墨烯相比，足夠弱的輸入信號足以產生倍頻信號。” 用數字表示，只有最初要求的場強的十分之一足以觀察到倍頻。在技??術上相關的低場強下，由于采用了新的材料系統，轉換后的太赫茲脈沖的功率要強一千倍以上。單個薄片越寬，暴露的石墨烯面積越小，這種現象越明顯。最初，專家們能夠將輸入頻率提高三倍。后來，他們獲得了更大的效果-輸入頻率提高了5倍，7倍甚至9倍。

與芯片技術兼容

這提供了非常有趣的前景，因為直到現在，科學家們仍需要大型，復雜的設備(例如加速器或大型激光器)來產生太赫茲波。由于采用了新材料，也可能僅通過電輸入信號即可實現從千兆赫茲到太赫茲的跨越，即花費更少的精力。“我們的基于石墨烯的超材料將與當前的半導體技術完全兼容，” Deinert強調。“原則上，它可以集成到普通芯片中。” 他和他的團隊已經證明了新流程的可行性-現在可以在特定的程序集中實施。

潛在的應用可能是巨大的：由于太赫茲波具有比當今使用的千兆赫茲移動通信頻率更高的頻率，因此它們可用于傳輸更多的無線數據-5G將變成6G。但是，太赫茲范圍也受到其他領域的關注，例如，從工業中的質量控制和機場的安全掃描儀到材料研究中的各種科學應用。