Noskaņojama uz grafiku balstīta platforma retas fizikas pētīšanai


Gaisma un matērija var savienoties un mijiedarboties dažādos līmeņos: vāja vai spēcīga. Tomēr joprojām ir izaicinājums turpmākai optoelektronisko ierīču attīstībai kontrolēt sakabes pāreju no vājas uz spēcīgu un atpakaļ.

Starptautiska komanda, ko vada pētnieki no The Mančestras Universitāte‘s National Graphene Institute (NGI) Apvienotajā Karalistē un Pensilvānija ASV Inženierzinātņu koledža atrisināja šo izaicinājumu, izstrādājot noskaņojamu uz grafiku balstītu platformu. Platforma, kas sastāv no uz grafiku balstīta regulējama THz rezonatora, varētu to kontrolēt Mijiedarbība starp gaismu un matēriju terahercu (THz) spektrā, lai atklātu retas parādības, kas pazīstamas kā izņēmuma punkti.

Izņēmuma punkti ir punkti, kur jebkuras divas spektrālās vērtības satiekas atklātā sistēmā. Pietiekami jūtīgi, lai reaģētu pat uz mazākajām sistēmas izmaiņām, tās atklāj dīvainas, bet vēlamas īpašības.

Platformai ir zelta folijas vārtu elektroda apakšējais atstarojošs spogulis. Zinātnieki a grafēna slānis ar elektrodiem. Tas veidoja regulējamu augšējo spoguli. Starp spoguļiem ir negaistošs jonu šķidrā elektrolīta slānis. Tas ļāva kontrolēt augšējā spoguļa atstarošanas spējas, mainot pielietoto spriegumu. Alfa-laktozes molekulas atrodas ierīces centrā starp spoguļiem.

Divi regulētāji kontrolē visu ierīci. Regulators maina dobuma garumu, paceļot apakšējo spoguli un noregulējot rezonanses frekvenci, lai bloķētu gaismu uz organisko cukura molekulu kolektīvajiem vibrācijas režīmiem, kas kalpo kā fiksēts sistēmas oscilatoru skaits. Otrs regulētājs maina spriegumu, kas tiek pievadīts augšējam spogulim. Tas maina grafēna atstarojošās īpašības, lai pārveidotu enerģijas zudumu nelīdzsvarotību, lai pielāgotu savienojuma stiprumu.

Precīzā regulēšana pārbīda vāji saistītās terahercu gaismas un organiskās molekulas uz spēcīgi saistītām molekulām un otrādi.

Ārkārtējie punkti pastāv līdzās krustošanās vietai starp vājo un spēcīgu teraherca gaismas savienojuma režīmu ar kolektīvajām molekulārajām vibrācijām.

Coskun Kocabas, Mančestras universitātes 2D ierīču materiālu profesors teica: «Esam demonstrējuši jaunu optoelektronisko ierīču klasi, izmantojot topoloģiju – matemātikas nozari, kas pēta ģeometrisko objektu īpašības. Izmantojot ārkārtas punktu singularitātes, mēs parādām, ka topoloģiskās koncepcijas var izmantot, lai izstrādātu optoelektroniskās ierīces, kas nodrošina jaunus veidus, kā manipulēt ar terahercu gaismu.

“Šis darbs ir viens no retajiem gadījumiem, kad divu veidu savienojumā ar atšķirīgu fizisko izcelsmi atklājas neparasti punkti. Izņēmuma punktu topoloģijas dēļ mēs novērojām ievērojamu terahercu gaismas stipruma un fāzes modulāciju, kas varētu atrast pielietojumu nākamās paaudzes THz sakaros.

Zinātniekiem pieliekot spriegumu un apturot rezonansi, sistēma sasniedza ārkārtēju punktu un tālāk. Pirms, pie un pēc izņēmuma punkta mainās sistēmas topoloģija.

Zinātnieki atrada “Viena no šādām izmaiņām ir fāzes modulācija, kas apraksta, kā vilnis mainās, kad tas izplatās un mijiedarbojas THz laukā. THz viļņu fāzes un amplitūdas kontrole ir tehnoloģisks izaicinājums, taču to platforma demonstrē vēl nebijušu fāzes modulācijas līmeni.

Zinātnieki pārvietoja sistēmu dažādos virzienos caur anomāliem punktiem un pa cilpām ap anomāliem punktiem. Viņi kvantitatīvi novērtēja, kā tas reaģē uz izmaiņām. Viņi atklāja, ka fāzes modulācija varētu būt no nulles līdz četrām kārtām lielāka. Tas ir atkarīgs no sistēmas topoloģijas mērīšanas punktā.

Pirmais autors M. Saids Ergoktas sauca, “Mēs varam elektriski vadīt ierīci, izmantojot īpašu punktu, kas ļauj elektriski kontrolēt atstarošanas topoloģiju. Mēs varējām sasniegt šīs milzīgās modulācijas, tikai elektroniski kontrolējot sistēmas topoloģiju.

Zinātnieki uzskata, ka viņu uz grafēnu balstītajai noskaņojamajai platformai ir potenciāli pielietojumi, sākot no topoloģiskām optoelektroniskām un kvantu ierīcēm līdz fizikālo un ķīmisko procesu topoloģiskai kontrolei.

Žurnāla atsauce:

  1. M. Said Ergoktas, Sina Soleymani et al. Terahercu gaismas topoloģiskā inženierija, izmantojot elektriski noskaņojamas ārkārtas punktu singularitātes. DOI: 10.1126/science.abn6528