Научная
деятельность
Университет ИТМО

Петербургские физики впервые синтезировали гиперболический материал для терагерцового диапазона частот

В будущем эти двухслойные структуры можно будет применять в сверхчувствительных датчиках, терагерцовых радарах, спектрометрах, радиотелескопах. Также на их основе можно будет создать маскирующие покрытия, утверждают ученые.

Группа исследователей из Университета ИТМО и РГПУ им. Герцена в рамках гранта РНФ работает над созданием новых датчиков, работающих в терагерцовом диапазоне частот. Чтобы создать прототипы таких приборов, ученым необходимо было также синтезировать материалы, которые имели бы необходимые оптические свойства в терагерцовом диапазоне частот. Им удалось это сделать, создав двухслойные структуры на основе висмута. Результаты работы опубликованы в журнале Rapid Research Letters. Корреспондент ITMO.NEWS связался с авторами работы и узнал, как им удалось синтезировать новый материал, в чем значение этой работы и причем тут радиоастрономия.

Образцы гиперболического материала для терагерцового диапазона частот. Фото предоставлено Михаилом Ходзицким
Образцы гиперболического материала для терагерцового диапазона частот. Фото предоставлено Михаилом Ходзицким

Еще сравнительно недавно работа с излучением терагерцового диапазона частот была труднодоступна для ученых и инженеров. Но сейчас появляется все больше возможностей для применения излучения таких частот в различных областях науки и техники ― от спектроскопии до беспроводной передачи данных.

Пока ученые только начинают «осваиваться» в терагерцовом диапазоне частот: чтобы использовать все возможности, которые он открывает, необходимо развивать приборную базу, проще говоря, создавать доступные и эффективные устройства. Например, ученым необходимо создать высокочувствительный, быстродействующий, компактный детектор, который мог бы работать не в лаборатории, в строго определенных условиях, а в обычном помещении и при комнатной температуре.

Решить эту задачу планирует команда ученых из Университета ИТМО (исследователи представляют два мегафакультета: фотоники и биотехнологий и низкотемпературных систем) и РГПУ имени Герцена. Однако для этого сначала нужно было найти материал, который будет использован в таком устройстве.

Гиперболическая среда

Висмут. Источник: shutterstock.com
Висмут. Источник: shutterstock.com

Ученые решили взять за основу для нового материала висмут. Это объясняется тем, что материалы типа висмута относятся к полуметаллам и обладают малой шириной перекрытия валентной зоны и зоны проводимости, что важно для детектирующих устройств терагерцового диапазона частот.

«Существует три класса материалов ― диэлектрики, полупроводники и проводники, ― рассказывает соавтор работы, инженер лаборатории «Терагерцовая биомедицина» Университета ИТМО Петр Демченко. ― Они различаются шириной запрещенной зоны. В металлах, которые относятся к проводникам, валентная зона и зона проводимости перекрываются. В полупроводниках есть запрещенная зона. При этом ширина запрещенной зоны у полупроводников от десятых долей до 3 эВ, а у диэлектриков от 3 до 5 эВ, из-за чего электрический ток через диэлектрики не протекает. Но есть промежуточный класс полуметаллов, к которому относятся сурьма, олово и висмут. В них перекрытие зон маленькое, но оно все же есть».

Пётр Демченко
Пётр Демченко

Кроме того, у висмута и сурьмы потенциально было и еще одно важное свойство. Ранее опубликованные теоретические работы предсказывали, что материалы на основе висмута могут иметь свойства гиперболической среды в терагерцовом диапазоне частот. Впрочем, экспериментально реализовать гиперболическую среду в таком диапазоне пока никому не удавалось.

«Гиперболические среды ― это особый класс оптических материалов, у которых главные компоненты тензора диэлектрической проницаемости имеют противоположные знаки в разных направлениях. Это дает очень необычные эффекты, которые не встречаются в стандартных оптических материалах ― например, возможность получить отрицательный показатель преломления, ― поясняет соавтор работы, инженер лаборатории «Терагерцовая биомедицина» Университета ИТМО Антон Зайцев. ― Это значит, что на определенных частотах в разных направлениях в пространстве материал ведет себя либо как прозрачный для излучения диэлектрик, либо как металл, который отражает или поглощает излучение».

Антон Зайцев
Антон Зайцев

Как напылить висмут на слюду

Чтобы добиться таких свойств именно в нужной части терагерцового диапазона частот, ученые решили вырастить кристаллическую структуру из висмута на подложке из слюды. Для этого был выбран метод так называемого термического осаждения или, как его еще называют, термического напыления.

«Все происходит в колбе, из которой выкачивается воздух, ― рассказывает Петр Демченко. ― Внутри нее есть специальная труба со штоком, которая измельчает поступающий в него материал, в данном случае висмут. Частички висмута высыпаются на нагреватель, молибденовую лодочку. Регулируя массу этих частичек, мы регулируем толщину слоя в конечном материале. Молибденовая лодочка нагрета до температуры в 270 градусов так, что висмут сразу переходит в газовую фазу, минуя жидкую. Над нагревателем находится заслонка, которая остается закрытой до тех пор, пока в колбе не будет достаточно газа, затем заслонка открывается, и висмут идет вверх, где установлен держатель с зажатой в нем пластинкой слюды, на которую наложена металлическая маска с узором. Газ оседает на слюде, которую также подогревают, чтобы частицы не скапливались отдельными кусками, а формировали кристаллическую структуру. После этого образец выдерживается полчаса при температуре 250 градусов».

Как поясняет исследователь, благодаря такому обжигу структура стабилизируется, и можно получить тонкую двухслойную структуру: толщина висмута составляет от десятков до сотен нанометров, а пластинка слюды ― 17 микрон. Это примерно в пять раз тоньше человеческого волоса.

Такой метод намного проще и дешевле, нежели метод молекулярной эпитаксии, который нередко используется для создания многих полупроводниковых гетероструктур. Потенциально это значит, что устройства на основе нового материала будут дешевле, чем аналоги из таких гетероструктур.

Слюда. Источник: shutterstock.com
Слюда. Источник: shutterstock.com

Отрицательный коэффициент преломления

Физики изучили оптические свойства полученных образцов и убедились, что получившаяся структура имеет гиперболические свойства в низкочастотной области терагерцового диапазона. Ученые проанализировали характеристики импульсов, прошедших через образцы, и увидели, что временная задержка оказалась отрицательной по сравнению с прохождением излучения через воздушную среду. При этом время задержки зависит от толщины слоя висмута.

«Во время эксперимента было обнаружено, что излучение, которое проходит через висмут и слюду при увеличении толщины висмута, начинает проходить быстрее, чем излучение, которое проходит просто через воздух», ― рассказывает Петр Демченко.

Таким образом, материал ведет себя как гиперболическая среда, причем именно в терагерцовом диапазоне частот, чего ранее никому на практике достичь не удалось.

Потенциал

Новый материал будет использоваться для создания прототипа компактного, быстродействующего, высокочувствительного терагерцового детектора. Работы в этом направлении планируется возобновить после вынужденного перерыва из-за пандемии, уже в июле.

Однако это не единственное возможное применение. Потенциально материал может быть использован в системах связи, зондирования, а также в биосенсорике.

Михаил Ходзицкий
Михаил Ходзицкий

«На базе терагерцовых детекторов с использованием нашего материала можно сделать матрицу детекторов, которая может быть использована в системах безопасности аэропортов, вокзалов для сканирования вещей, а также для диагностики заболеваний», ― рассказывает Михаил Ходзицкий, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, доцент-исследователь, руководитель лаборатории «Терагерцовая биомедицина» Университета ИТМО.

Также из такого материала может быть сделано маскирующее покрытие для того, чтобы скрыть объекты от терагерцового излучения. Таким образом, объект станет невидимым для терагерцового радара. Наконец, материал может быть использован в радиоастрономии.

«Когда говорится о радиоастрономии, не уточняется, что телескопы работают также в терагерцовом диапазоне частот, ― рассказывает Петр Демченко. ― Они работают в диапазоне частот 100 ― 300 гигагерц (ГГц), это как раз наш диапазон, в котором мы разрабатываем детекторы. На данных частотах проводят исследования черных дыр. Для таких измерений используют полупроводниковые детекторы, которые охлаждают до температуры жидкого гелия. Наш детектор сможет работать при комнатной температуре».