В МФТИ превратили "бутерброд" из графена в генератор плазмонов

Учёные из МФТИ, Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова и Университета Тохоку (Япония) рассчитали, как сделать предельно компактный генератор плазмонов — ключевых элементов оптоэлектронных схем будущего — из графена и вольфрама. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review B.

Плазмоном называют квазичастицу, смесь колеблющихся электронов и привязанного к ним электромагнитного поля. Каждый из нас знаком с плазмонами по характерному блеску, свойственному металлам — свет с частотой ниже плазменной отражается от металлической поверхности, натыкаясь на электроны в металле.

С помощью плазмонов, сходных с теми, что придают металлам блеск, потенциально очень удобно генерировать, передавать и принимать сигналы в микросхемах. Их преимуществом является то, что работающий плазмон по своим размерам ближе к электронам, чем к длине волны фотона, типичной для оптоэлектроники. Поскольку электроны очень компактны, плазмонные схемы намного миниатюрнее чисто фотонных. При этом плазмон может влиять на прохождение света (плазмонное отражение), что важно для оптоэлектроники. Пока самые компактные плазмоны — это те, что привязаны к проводящим плоскостям.

Новая работа российских физиков предлагает совершенно новый метод формирования таких перспективных плоскостей. Для этого они предлагают взять две пластины графена (одноатомные листы углерода) и установить между ними тонкую пластинку дисульфида вольфрама. Графен в такой схеме обеспечивает исключительно высокую подвижность электронов. Дисульфид вольфрама также может существовать в предельно тонких листах, чья толщина сравнима с диаметром атомов. В таком виде он при комнатной температуре способен к фотолюминесценции, собственному свечению после облучения внешним светом. 

Согласно расчётам авторов работы, если к такому трёхслойному "бутерброду" приложить электрическое напряжение, то на определённых (резонансных) рабочих частотах в нём будет эффективно идти туннелирование электронов. Этот процесс идёт, когда к внешним слоям графена прилагают ток. При этом один из них наполняется электронами, а другой — дырками. Электроны из накопленного ими слоя с определённой вероятностью стремятся проникнуть через слой дисульфида вольфрама (изолятора) во второй слой графен, наполненный дырками (местами, где должен быть, но временно отсутствует электрон). При этом за счёт проскакивания электрона через средний лист во всей структуре возникают плазмоны, коллективные колебания электронов. Это и делает предложенное устройство, несмотря на его сверхкомпактность, способным генерировать "плоские", двумерные плазмоны, удобные для электроники.

Учёные отмечают, что кроме собственно интегральных схем такое устройство можно использовать и как генератор излучения в экзотических пока диапазонах, в том числе терагерцевом (позволяющим "видеть" через стены и одежду). Пока эффективных систем, генерирующих в данном диапазоне, немного. Но предложенный генератор потенциально может дать плазмонам "отвязаться" от слоёв графена и стать фотоном нужной (терагерцевой) частоты.