Выявлена способность графена к сверхсильному поглощению света

При резонансе между частотой света и движением электронов в поглотителе, последний способен поглощать излучение с площади, большей, чем он сам. В наши дни это явление резонансного поглощения света активно используется в разработке приёмников электромагнитных волн в разных диапазонах. Сейчас исследователи ищут возможности создания сверхкомпактных и резонансных поглотителей излучения — например, для мобильной передачи данных по протоколу 6G.

Существует два класса резонансов, которые встречаются в полупроводниках. Первый известен как плазмонный и связан с синхронным движением электронов и поля от одной границы образца к другой. Второй же именуется циклотронным и возникает при совпадении частоты волны с частотой вращения электрона по круговой орбите в магнитном поле. Оба явления исследовались достаточно, однако по-прежнему не ясно, как они ведут себя в полупроводниках, а значит их практическое приложение пока что затруднительно.

В новой работе международная группа учёных проанализировала поглощение волн при присутствии одновременно плазмонного и циклотронного резонансов. Эксперименты выполнялись с терагерцовым излучением на примере графена. Подмагничивание графена вызывает «закручивание» электронов на орбиты, создавая условия для циклотронного резонанса. Плазмонные колебания также могут вызываться и долго поддерживаться в графене.

В ходе эксперимента учёные сделали неожиданное открытие: оказывается, на удвоенной частоте циклотронного резонанса графен аномально сильно поглощает электромагнитное излучение. Этот феномен связан со взаимодействием плазмонного и двойного циклотронного резонансов. Вблизи к частоте двойного циклотронного резонанса плазмонные волны замедляются почти до нулевой скорости. В результате падающий на графен свет усиливается и превращается в сверхмедленную поверхностную волну. Эти волны буквально «застревают» в графене, а затем поглощаются им. Графен в таких условиях совмещает в себе сразу три функции: антенны, поглотителя и генератора фототока.

«Факт усиления поглощения при возбуждении медленных поверхностных волн был известен достаточно давно. Однако раньше считалось, что поверхностные волны в полупроводниках не могут быть медленнее, чем электроны, которые движутся в волне. Для графена 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», — рассказывает Денис Бандурин, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

«Мы ожидаем, что графен в магнитном поле может оказаться сверхпоглотителем. То есть он будет захватывать свет не только с площади, превышающей свой геометрический размер. Он сможет захватывать свет с площади, большей квадрата длины волны. Аномально малая скорость плазмонов в намагниченном графене создает для этого все предпосылки», — комментирует соавтор исследования Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.

Фото: Nature Physics