将高频信号超快且可调谐地转换为可见光

Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf(HZDR)、加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所(ICN2)、埃克塞特大学石墨烯科学中心和TUEindhoven的研究小组进行的一项研究表明，石墨烯基材料可以用于有效地将高频信号转换为可见光，并且这种机制超快且可调，正如该团队在《纳米快报》中介绍的那样。

这些成果为不久的将来信息和通信技术中激动人心的应用开辟了道路。

将信号从一种频率范围转换到另一种频率范围的能力是各种技术的关键，特别是在电信领域，例如，电子设备处理的数据通常作为光信号通过玻璃纤维传输。

为了实现更高的数据传输速率，未来的6G无线通信系统需要将载波频率从100GHz以上扩展到太赫兹范围。太赫兹波是介于微波和红外光之间的电磁波谱的一部分。

然而，太赫兹波只能用于在非常有限的距离内无线传输数据。“因此，需要一种将太赫兹波转换为可见光或红外光的快速可控机制，可以通过光纤传输。成像和传感技术也可以从这种机制中受益，”该研究所的IgorIlyakov博士说HZDR辐射物理学博士。

目前缺少的是一种能够将光子能量上转换约1000倍的材料。该团队最近才发现所谓的狄拉克量子材料(例如石墨烯和拓扑绝缘体)对太赫兹光脉冲的强烈非线性响应.

“这体现在高效产生高次谐波，即具有原始激光频率倍数的光。这些谐波仍在太赫兹范围内，然而，也首次观察到石墨烯在红外和太赫兹激发，”HZDR辐射物理研究所的SergeyKovalev博士回忆道。“到目前为止，这种效果效率极低，其潜在的物理机制尚不清楚。”

背后的机制

新结果为这种机制提供了物理解释，并展示了如何通过使用高掺杂石墨烯或使用光栅-石墨烯超材料(一种具有特殊光学、电学或磁学特性的定制结构的材料)来强烈增强光发射。该团队还观察到转换发生得非常快——在亚纳秒时间尺度上，并且可以通过静电门控进行控制。

“我们将石墨烯中的光频转换归因于太赫兹引起的热辐射机制，即电荷载流子从入射的太赫兹场中吸收电磁能。吸收的能量迅速分布在材料中，导致载流子加热;最后这导致可见光谱中的光子发射，就像任何加热物体发出的光一样，”ICN2纳米系统超快动力学组和埃因霍温科技大学的Klaas-JanTielrooij教授解释说。

在石墨烯基材料中实现的太赫兹到可见光转换的可调性和速度在信息和通信技术中具有巨大的应用潜力。潜在的超快热力学机制肯定会对太赫兹到电信的互连以及任何需要超快信号频率转换的技术产生影响。