Terahertz (THz) teknolojisi biyomedikal görüntüleme, telekomünikasyon ve gelişmiş algılama sistemleri gibi uygulamalarda faydalıdır. Bununla birlikte, 0,1 ila 10 terahertz aralığındaki elektromanyetik dalgaların benzersiz doğası nedeniyle, terahertz teknolojisinin gerçek potansiyelini ortaya koyan yüksek performanslı bileşenler geliştirmek zor olmuştur. Filtreler ve emiciler gibi esasen bileşensiz parçaların tasarımı bile büyük bir zorluk olmaya devam ediyor.
Neyse ki metamateryallerin yükselişi bu sorunlara yenilikçi çözümler getirebilir. Üretim ve işleme teknolojilerindeki ilerlemeler sayesinde, terahertz aralığında benzersiz elektromanyetik özelliklere sahip iki boyutlu (2D) desenli mikro yapılar üretmek artık mümkün ve bu frekanslarda sinyallerin benzeri görülmemiş bir şekilde kontrol edilmesine olanak tanıyor.
Dalga emici malzemeler için çeşitli 2 boyutlu meta malzemeler (veya "hiper yüzeyler") önerilmiş olmasına rağmen, bunların çoğunun hala ciddi sınırlamaları vardır. Yaygın bir sorun, hiper yüzey emici malzemenin yapısal modları tanımlandıktan ve üretildikten sonra elektromanyetik özelliklerinin sabitlenmesidir.
Bu ayarlanamama, bu tür cihazların olası uygulamalarını sınırlar. Öte yandan, ayarlanabilir metal bazlı hiper yüzey soğurucuları mevcut olmasına rağmen, ince metal tabakaların kullanımı önerilmez. Bunun nedeni, gerekli yapıların imalatının zorluğu ve metallerin doğal özelliklerinden dolayı düşük performans gibi çeşitli dezavantajlardır.
Bu bağlamda, Dr. Wenhan Cao'nun Şanghay Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'ndeki ekibi, terahertz aralığında ultra geniş ayarlanabilir bant genişliğine sahip, yeni, karbon bazlı, ayarlanabilir bir metayüzey soğurucu geliştirdi. Dr. Wenhan Cao tarafından yönetilen bu araştırma yakın zamanda Advanced Photonics Nexus'ta yayınlandı.
"Soğurucunun çekirdeği, rezonatörler olarak grafen ve grafit mikroyapılarını ve geri yansıtan yüzeyler olarak grafit katmanlarını kullanıyor." Dr. Wenhan Cao şöyle açıklıyor: "Bu terahertz metayüzey soğurucudaki tekrarlanan alt birimler (veya 'hücreler'), dört ana faktöre dayalı olarak emme verimliliğini optimize etmek için stratejik olarak tasarlanmıştır: geometri, malzeme özellikleri, polarizasyon hassasiyeti ve ayarlama mekanizması."
Geometri açısından soğurucu üç ince katmandan oluşur. Üst katman, grafen tellerle birbirine bağlanan eşmerkezli grafit halkaları içeren desenli iletken bir katmandır; ikinci katman, istenmeyen elektromanyetik dalgaların dağıtılmasına yardımcı olan basit bir dielektriktir; ve üçüncü katman, terahertz dalgalarının doğrudan cihaza nüfuz etmesini önleyen ve böylece emme verimliliğini en üst düzeye çıkaran emici bir katmandır.
Soğurucunun malzeme seçimi ve geometrik tasarımı sayısal analiz ve simülasyonla optimize edilmiştir; bu da terahertz aralığındaki olağanüstü emilime katkıda bulunur. Önerilen soğurucunun önemli bir özelliği, ayarlanabilir Fermi enerji seviyelerinden kaynaklanan ayarlanabilirliğidir. Bu parametre, farklı enerji seviyelerindeki elektronların dağılımını belirlediği için malzeme ve yarı iletken teknolojisinde çok önemlidir.
Bir grafen katmanına voltaj uygulayarak Fermi enerji seviyesini değiştirmek ve böylece emilim bant genişliğine kolayca ince ayar yapmak mümkündür. Dr. Wenhan Cao şunları vurguladı: "1 eV'lik Fermi enerji seviyesinde, önerilen soğurucu, iki farklı rezonans zirvesiyle 7,24 ila 16,23 THz frekans aralığında %90'dan fazla emilim sağlayarak 8,99 THz'lik şaşırtıcı derecede geniş bir bant genişliğine ulaşabilir. 8,35 THz ve 14,70 THz'de."
Önerilen tasarımın bir diğer önemli avantajı ise gelen ışınımın polarizasyon açısına duyarsızlığıdır. Emici hücresinde eşmerkezli dairelerin kullanılması doğal olarak bu olumlu özelliği sağlar. Mükemmel simetrik bir şekil olan daire, soğurucunun 50 dereceye kadar geliş açılarında yüksek bir soğurma oranını korumasını sağlar.
Kısacası, önerilen tasarımın pek çok avantajı sadeliğiyle birleştiğinde terahertz teknolojisinde gerçek bir atılımı temsil ediyor." Önerilen soğurucu, düşük kalınlıkta ayarlanabilir geniş bir emme bant genişliğine sahip, ultra ince, basit, metal içermeyen bir yapı sunar; uygulanabilirliğini arttırır.Bu avantajlar rapor edilen diğer emicileri geride bırakır.
Yakın gelecekte terahertz cihazları, özellikle tıp ve iletişim gibi alanların yanı sıra malzeme bilimi ve biyoloji gibi daha araştırma odaklı alanlarda günlük teknolojinin bir parçası haline gelecektir.
