Сотрудники Института физики твёрдого тела им. Ю.А. Осипьяна Российской академии наук совместно с зарубежными коллегами продемонстрировали возможность управления коллективными колебаниями электронов — плазмонами — в полупроводниковых структурах, работающих в терагерцовом диапазоне частот.

В проведённом исследовании они подробно изучили плазмонные кристаллы на основе гетероструктур AlGaAs/GaAs и показали, как форма металлических электродов на поверхности кристалла определяет спектр плазменных возбуждений в двумерном электронном газе.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Research.

«Терагерцовый диапазон — это область частот между радиодиапазоном и инфракрасным светом. Именно здесь ожидают появления новых сканеров, датчиков, систем связи и спектроскопии. Однако управлять терагерцовыми волнами на чипе — задача нетривиальная: обычные антенны и резонаторы на этих частотах получаются громоздкими и малоэффективными. Плазмонные кристаллы предлагают компактную альтернативу: электронный газ под периодической решёткой металлических затворов превращается в „искусственный кристалл“ для плазмонов, в котором можно задавать свойства волн с помощью нанолитографии», — пояснил основной исполнитель работ по гранту РНФ, ведущий научный сотрудник лаборатории неравновесных электронных процессов ИФТТ РАН доктор физико-математических наук Вячеслав Муравьёв.

В работе авторы изучили плазмонный кристалл в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с высокой подвижностью двумерной электронной системы. Они показали, что фундаментальная плазмонная мода непрерывно эволюционирует от «неэкранированного» плазмона (когда металлическая решётка практически не влияет на спектр волны) к полностью экранированному (когда плазмон «прижат» к металлической решётке). Изменяя ширину и период металлической решётки плазмонного кристалла, учёные проследили, как меняется частота и добротность плазменных резонансов, а затем разработали аналитическую теорию, которая учитывает весь набор пространственных гармоник плазмонного поля в кристалле. Оказалось, что плазменные возбуждения в плазмонном кристалле носят делокализованный характер: каждая наблюдаемая мода — это суперпозиция набора стоячих волн с различными волновыми числами.

В результате проведённых исследований была разработана уникальная аналитическая модель, которая позволила точно описать фундаментальное плазменное состояние в плазмонном кристалле. Оказалось, что разработанная модель не только воспроизводит экспериментальную дисперсию с высокой точностью, но и объясняет уширение линий за счёт эффекта излучательных потерь: металлическая решётка одновременно «закачивает» терагерцовое излучение в плазмон, а после эффективно излучает его обратно, работая как антенная решётка в субволновом режиме.

Учёные полагают, что полученные результаты приближают создание новых детекторов, фазовращателей, генераторов и других элементов терагерцовой электроники и фотоники, которые можно непосредственно интегрировать в полупроводниковые микросхемы. Открытые физические явления формируют научную основу для проектирования принципиально новых плазмонных терагерцовых устройств.

В работе принимали участие сотрудники Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Источник: ИФТТ РАН.