Графеновые конденсаторы позволили достичь рекордной модуляции терагерцовых волн

Демонстрация метаматериала с регулируемой ёмкостью, используемого в качестве амплитудного модулятора терагерцовых волн. Автор: Cavendish Laboratory

Исследователи из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета разработали новый способ управления излучением в терагерцовом диапазоне — часто игнорируемой части электромагнитного спектра. Достигнуты беспрецедентные динамический диапазон и скорость, что открывает путь к созданию передовых технологий в сфере связи, визуализации и сенсорики. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

Терагерцовый диапазон расположен между микроволнами и инфракрасным излучением. Несмотря на потенциал в таких областях, как сканеры безопасности в аэропортах и диагностика рака кожи, терагерцовые волны сложно эффективно контролировать из-за их чрезвычайно малой длины волны — в десятки тысяч раз меньше, чем у радиоволн.

«Представьте старый аналоговый радиоприёмник: вы настраиваете конденсатор, чтобы поймать нужную частоту. Но для терагерцового диапазона традиционные методы не работают — нам пришлось разработать совершенно новый подход», — объясняет доктор Владислав Михайлов, руководитель исследования.

Учёные создали ультратонкие конденсаторы из графена, разместив их внутри наноразмерных резонаторов метаматериала. Эти графеновые элементы шириной менее микрона (тысячной доли миллиметра) действуют как регулируемые конденсаторы, позволяя «играть мелодию» на резонансной частоте, а не просто заглушать сигнал.

Наноразмерная инженерия резонаторных зазоров: создание регулируемых конденсаторов из графеновых пластин. Автор: Cavendish Laboratory

Доктор Руцяо Ся, разработавшая устройства, отмечает: «Мы достигли глубины модуляции более четырёх порядков величины — это один из лучших показателей в терагерцовом диапазоне». Устройства также демонстрируют рекордную скорость модуляции — 30 МГц при глубине >99,99%.

Профессор Дэвид Ричи, руководитель группы полупроводниковой физики, подчёркивает: «Наши результаты — важный шаг к созданию систем связи следующего поколения, выходящих за рамки эры 5G и 6G».

Исследование проводилось совместно с коллегами из Кембриджского университета, Лондонского университета королевы Марии и Университета Аугсбурга (Германия).

Дополнительная информация: Ruqiao Xia et al, Achieving 100% amplitude modulation depth in the terahertz range with graphene-based tuneable capacitance metamaterials, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01945-4