Квантовый метаповерхностный детектор в 20 раз повысил эффективность регистрации терагерцового излучения

Обнаружение терагерцового излучения с помощью квантового метаповерхностного фотодетектора. Credit: W. Michailow and R. Xia

Исследователи совершили прорыв в области детектирования терагерцового (ТГц) излучения, разработав компактный детектор, объединяющий квантовую физику и специально спроектированную метаповерхность. Работа опубликована в журнале Advanced Photonics.

Терагерцовый диапазон, находящийся между микроволнами и инфракрасным светом, долгое время оставался сложным для детектирования. Существующие детекторы часто медлительны, нечувствительны или требуют громоздкого и дорогого оборудования с криогенным охлаждением.

Новое устройство использует так называемый внутриплоскостной фотоэлектрический эффект. Фотоны терагерцового диапазона передают энергию электронам, confined в двумерном электронном газе. Энергичные электроны преодолевают специально созданный потенциальный барьер, генерируя электрический ток. В отличие от обычных фотоэлектрических детекторов, этот механизм не требует от фотонов превышения минимального энергетического порога.

Ключевым нововведением стала интеграция детектора с метаповерхностью — структурированным узором, который концентрирует электромагнитную энергию в极小区域ах. Устройство использует повторяющийся узор «кирпичной кладки», который собирает падающее ТГц-излучение и направляет его в узкие зазоры, где происходит детектирование. Каждый зазор работает как отдельный детектор. Распределив множество таких элементов по поверхности и соединив их электронно, исследователи объединили их выходные сигналы в более сильный общий сигнал.

«Это обеспечивает оптимальную связь метаповерхности с детектирующими элементами. По сравнению с обычным подходом параллельного соединения нескольких устройств, этот метод позволил значительно повысить чувствительность детектирования», — отмечает ведущий автор исследования Владыслав Михайлов (Университет Кембриджа и Университет Суонси, Великобритания).

Детектор был изготовлен с использованием полупроводниковой структуры, содержащей высокоподвижный электронный газ. Процесс производства аналогичен технологиям, используемым для полевых транзисторов, что упрощает интеграцию с существующими электронными системами. Поскольку метаповерхность сама концентрирует излучение, внешние фокусирующие компоненты, такие как кремниевые линзы, не требуются.

При тестировании при температуре 10 К и облучении на частоте около 1,9 ТГц детектор продемонстрировал четкий электрический отклик. Измерения показали чувствительность 2,7 ампер на ватт и внешнюю квантовую эффективность 2,1% на частоте 1,9 ТГц. Это примерно в двадцать раз выше по сравнению с ранее продемонстрированными детекторами аналогичного типа. По словам исследователей, такое улучшение достигнуто благодаря способности метаповерхности улавливать большую часть падающего излучения и фокусировать его непосредственно в активные области детектора.

Еще одним преимуществом является работа детектора при нулевом смещении сток-исток, что помогает снизить шум за счет устранения темновых токов. «Устройства являются прямыми детекторами, работающими при нулевом смещении, и поэтому работают без темновых токов», — поясняет первый автор исследования Руцяо Ся (Кембриджский университет).

Конструкция может быть масштабирована геометрически, что позволяет адаптировать ее для широкого диапазона частот — от микроволнового до среднего инфракрасного диапазона. Планарная архитектура совместима со стандартными полупроводниковыми технологиями, что позволяет интегрировать детектор непосредственно с чиповой электроникой. Исследователи также полагают, что технология может работать при более высоких температурах, чем многие конкурирующие платформы, что потенциально может заполнить пробел между высокочувствительными криогенными детекторами и менее чувствительными устройствами, работающими при комнатной температуре.

«Результаты особенно интригуют из-за приложений, которые может обеспечить терагерцовая технология, в таких областях, как беспроводные сети, здравоохранение, астрономия, биомедицина, контроль качества в производстве и многих других», — комментирует соавтор исследования Дэвид Ричи, руководитель группы физики полупроводников.

Это исследование представляет собой первую демонстрацию квантового метаповерхностного фотодетектора на основе двумерной электронной системы и знаменует собой значительный шаг к преодолению давних проблем в терагерцовой технологии.