研究人员设计了电可调石墨烯器件来研究稀有物理学

由英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所 (NGI) 和宾夕法尼亚州立工程学院的研究人员共同领导的一个国际团队开发了一种基于石墨烯的可调平台，可以对相互作用进行精细控制太赫兹 (THz) 光谱中的光和物质之间的关系，以揭示被称为异常点的罕见现象。该团队今天在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。

研究人员表示，这项工作可以推进光电技术，以更好地产生、控制和感知光以及潜在的通信。他们展示了一种控制太赫兹波的方法，太赫兹波的频率介于微波和红外波之间。这一壮举可能有助于开发用于高速通信网络的“超越 5G”无线技术。

弱相互作用和强相互作用

光和物质可以耦合，在不同层面相互作用：弱，它们可能相关但不会改变彼此的成分;或者强烈地，它们的相互作用可以从根本上改变系统。控制耦合如何从弱到强再变回来的能力一直是推进光电设备的主要挑战——研究人员现在已经解决了这一挑战。

曼彻斯特大学二维器件材料教授、共同通讯作者 Coskun Kocabas 说：“我们已经展示了一种使用拓扑概念的新型光电器件——这是研究几何物体特性的数学分支。” “使用特殊的点奇点，我们表明拓扑概念可用于设计光电设备，从而实现操纵太赫兹光的新方法。”

Kocabas 还隶属于总部位于曼彻斯特的亨利·罗伊斯先进材料研究所。

例外点是光谱奇点——开放系统中任意两个光谱值合并的点。宾州州立大学工程科学与力学副教授、共同通讯作者 Şahin K. Özdemir 表示，不出所料，它们异常敏感，甚至会对系统的最小变化做出反应，揭示出奇怪但令人向往的特征。

“在一个特殊的时刻，系统的能源格局发生了相当大的变化，导致维度降低和拓扑偏斜，”同时隶属于宾夕法尼亚州立大学材料研究所的 Özdemir 说。“这反过来又增强了系统对扰动的响应，改变了导致自发发射率提高的局部状态密度，并导致了过多的现象。控制异常点以及发生在它们上的物理过程，可以导致更好的传感器、成像、激光等应用。”

平台组成

研究人员开发的平台包括一个基于石墨烯的可调谐太赫兹谐振器，一个金箔栅电极形成一个底部反射镜。在其上方，石墨烯层以电极为末端，形成可调节的顶镜。非挥发性离子液体电解质层位于反射镜之间，可通过改变施加的电压来控制顶部反射镜的反射率。在设备的中间，镜子之间，是α乳糖分子，一种常见于牛奶中的糖。

该系统由两个调节器控制。提高下镜以改变腔的长度——调整共振频率以将光与有机糖分子的集体振动模式耦合，有机糖分子作为系统的固定数量的振荡器。另一个调节器改变施加到顶部石墨烯反射镜的电压——改变石墨烯的反射特性以转变能量损失不平衡以调节耦合强度。微妙的微调将弱耦合的太赫兹光和有机分子转变为强耦合，反之亦然。

“异常点与太赫兹光的弱耦合和强耦合机制与集体分子振动之​​间的交叉点相吻合，”Özdemir 说。

他指出，这些奇点通常在模拟模式或系统的耦合中进行研究和观察，例如两种光学模式、电子模式或声学模式。

“这项工作是罕见的案例之一，其中证明了在具有不同物理起源的两种模式的耦合中会出现异常点，”科卡巴斯说。“由于异常点的拓扑结构，我们观察到太赫兹光的幅度和相位发生了显着调制，这可以在下一代太赫兹通信中找到应用。”

太赫兹频谱中前所未有的相位调制

当研究人员施加电压并调整共振时，他们将系统驱动到一个特殊的点甚至更远。在异常点之前、之时和之后，系统的几何特性(拓扑)会发生变化。

一种这样的变化是相位调制，它描述了波在太赫兹场中传播和相互作用时如何变化。研究人员表示，控制太赫兹波的相位和幅度是一项技术挑战，但他们的平台展示了前所未有的相位调制水平。研究人员将系统移动通过异常点，以及沿着不同方向的异常点周围的循环，并测量它如何通过变化做出响应。根据测量点的系统拓扑结构，相位调制的范围可以从零到大四个数量级。

第一作者 M. Said Ergoktas 说：“我们可以通过一个特殊点对设备进行电气控制，从而实现对反射拓扑的电气控制。” “只有通过电子方式控制系统的拓扑结构，我们才能实现这些巨大的调制。”

据研究人员称，基于石墨烯的平台实现的异常点周围光物质相互作用的拓扑控制具有从拓扑光电和量子器件到物理和化学过程的拓扑控制的潜在应用。