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Jun 15, 2023

연구원들이 그래핀을 개발하다

애리조나 주립대학교(ASU) 연구원들은 파장 이하 두께(<1/5λ0) 하이브리드 그래핀-플라즈몬 메타표면을 기반으로 향상된 포화 흡수 효과를 위한 설계 개념을 제시했습니다.

애리조나 주립대학교(ASU)의 연구원들은 적외선 파장에서 서브파장 두께(<1/5λ0) 하이브리드 그래핀-플라즈몬 메타표면 구조를 기반으로 향상된 포화 흡수 효과에 대한 설계 개념을 제시했습니다. ASU 포토닉스 혁신 센터의 Yu Yao와 그녀의 연구팀은 GPSMA로 알려진 그래핀-플라즈몬 하이브리드 메타구조 포화 흡수체라고 불리는 더 빠르고 에너지 효율적인 나노스케일 레이저 부품을 설계했습니다.

연구팀의 이론적 및 실험적 결과는 나노 규모 핫스팟 내부의 비평형 캐리어를 여기시킴으로써 그래핀의 포화 흡수를 향상시킬 뿐만 아니라 포화 플루언스를 3배 이상(~1mJ/cm2에서 ~100mJ로) 감소시킬 수 있음을 보여주었습니다. nJ/cm2). 그들의 펌프-프로브 측정 결과는 궁극적으로 그래핀의 광여기 캐리어의 이완 역학에 의해 결정되는 매우 짧은 포화 흡수 회복 시간(<60fs)을 제안했습니다. 그들은 또한 자기상관 측정 결과를 기반으로 장치에서 펄스 축소 효과를 관찰했습니다. 이러한 설계 개념은 구조 엔지니어링을 통해 맞춤화되어 중적외선 및 원적외선 스펙트럼 영역까지 더 넓은 파장 범위에서 작동할 수 있습니다. 이러한 초고속 저포화 플루언스 포화 흡수체 설계는 낮은 임계값, 소형, 자체 시작 모드 잠금 레이저, 레이저 펄스 성형 및 고속 광학 정보 처리를 가능하게 합니다.

레이저는 좁은 광선을 생성합니다. 레이저의 빛이 나노 크기의 물질 표면과 상호 작용할 때 플라즈몬이라는 빛의 파동을 방출하며 주어진 플라즈몬의 속성은 정보를 신호로 보낼 수 있습니다. 광 전송에서 레이저는 포화 흡수체라는 구성 요소에 빛을 펌핑하여 광 신호를 생성합니다.

팀이 최근 개발한 GPSMA는 통신, 정보 처리, 분광학 및 생물의학 산업 전반에 걸쳐 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있습니다. 흡수체는 데이터 전송, 정보 처리, 생체 의학 감지 및 이미징 기술을 발전시키기 위해 속도, 효율성 및 전반적인 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.

Yao 팀은 광학 변조 및 포화 흡수의 유익한 특성으로 인해 인공적으로 설계된 금속-그래핀 하이브리드 재료를 작업에 통합해 왔습니다.

과학자들은 흡수를 높이기 위해 핫스팟으로 알려진 재료의 나노 크기 간격에 빛을 집중시키는 광학 안테나 배열을 설계함으로써 인상적인 결과를 얻었습니다. 이러한 핫스팟에 레이저를 집중함으로써 성능이 향상되고 에너지 사용량이 감소하는 것을 관찰했습니다.

“그래핀은 가볍고 광학 반응 시간이 빠르지만 단층 형태에서는 흡수율이 낮습니다.”라고 Yao는 말했습니다. “우리는 나노 규모 핫스팟의 광 흡수가 3배 이상 증가하여 강력한 광 흡수뿐만 아니라 포화 흡수 효과도 얻을 수 있도록 이 장치를 설계했습니다. GPSMA를 통해 우리는 실제로 전력 소비를 거의 2~3배 정도 줄일 수 있는 포화 흡수 장치를 만들고 있습니다.”

그들의 새로운 기술은 속도로 인해 광섬유 케이블과 위성 통신 모두를 사용하여 적외선 레이저 분광학 및 고속 광 신호 통신에 대한 기회를 열 수 있습니다.

Yao는 "우리 장치는 기록적인 속도로 작동할 수 있습니다."라고 말했습니다. "기존의 포화 흡수체는 나노초 단위로 작동할 수 있지만 이제는 약 60펨토초에 도달하고 있으며 이는 100,000배 이상 빠릅니다."

GPSMA는 현재 전자기 스펙트럼의 근적외선 파장에서 작동됩니다. 그래핀의 넓은 광학 반응 덕분에 분자 분광학 및 광통신에 큰 관심을 끄는 적외선 스펙트럼 영역에서 더 긴 파장으로 스펙트럼 범위를 확장할 수 있습니다. 그러나 더 긴 파장의 경우 포화 흡수체를 달성하고 초단파 레이저 펄스를 생성하는 것이 일반적으로 더 어렵습니다. GPSMA 설계 개념은 이러한 기술적 격차를 메울 수 있습니다.