Повседневный опыт учит нас, что эффективность сбора световой энергии пропорциональна площади поглотителя. Наглядным подтверждением этому являются «поля» солнечных батарей. Может ли предмет поглощать излучение с площади, большей, чем он сам? Оказывается — да, и это возможно, когда частота света находится в резонансе с движением электронов в поглотителе. При этом площадь захвата излучения оказывается около квадрата длины световой волны, хотя сам поглотитель может быть чрезвычайно малым. Например, атом водорода имеет площадь порядка квадратного ангстрема. Но если его осветить излучением, синхронным по частоте с переходом между электронными орбитами, площадь захвата может возрасти примерно в двести тысяч раз.
Явления резонансного поглощения света активно используются для приема электромагнитных волн — от радиочастотного до ультрафиолетового диапазона. Наиболее практичным резонансным приемником служит антенна — металлический штырь с длиной около половины длины волны излучения. Условия резонанса требуют определенного размера антенны. Чувствительная металлическая антенна должна быть сравнимой по размеру с длиной волны, а если она будет меньше, то уже заметно теряет в чувствительности. Например, для мобильной передачи данных по протоколу 6G предлагается использовать частоту в 0,1 терагерц. Это потребует антенн с размером около 3 мм, что сопряжено с большой и дорогостоящей площадью на чипе смартфона. В связи с этим исследователи ищут возможности создания сверхкомпактных и резонансных поглотителей излучения.
Интересными и перспективными в связи с этим являются два класса резонансов. Оба они встречаются в полупроводниках — материалах, которые уже являются основой цифровых и аналоговых приборов на чипах. Первый резонанс называется плазмонным и связан с синхронным движением электронов и электромагнитного поля от одной границы образца к другой. Второй резонанс называется циклотронным. Он возникает при совпадении частоты электромагнитной волны с частотой вращения электрона по круговой орбите в магнитном поле. Оба резонанса успешно исследовались экспериментально. Однако эффект усиления поглощения в большинстве исследованных полупроводников до сих пор был мал для практических приложений.
В нынешней работе было исследовано поглощение электромагнитных волн в условиях, когда оба резонанса — циклотронный и плазмонный — существуют одновременно. Частота электромагнитных волн была выбрана в окрестности единиц терагерц: во-первых, из-за практической значимости терагерцового электромагнитного диапазона, а во-вторых — благодаря удобству наблюдения резонансных эффектов на этих частотах. Терагерцовые эксперименты были выполнены в университете Регенсбурга. Материалом для исследования был выбран графен — слой атомов углерода. Высокая степень чистоты графена позволяет поддерживать в нем долгоживущие плазменные колебания. Дело в том, что колеблющиеся электроны могут пройти от одной границы образца до другой, ни разу не столкнувшись с примесями.
Подмагничивание графена «закручивает» электроны на орбиты, тем самым создавая условия для циклотронного резонанса. Уже при небольших значениях поля — около единицы Тесла — частота циклотронного резонанса попадает в желаемый терагерцовый диапазон. Графен в эксперименте освещался излучением терагерцового лазера. Чем больше света графен поглощает, тем сильнее он нагревается и тем сильнее меняется его сопротивление. Таким образом, изменение сопротивления графена под действием света является мерой его поглотительной способности.
Удивительным результатом эксперимента оказалось сверхсильное поглощение излучения графеном на удвоенной частоте циклотронного резонанса. Сигнал на обычной циклотронной частоте был при этом относительно мал. Детальное сравнение эксперимента с теорией показало, что сильное поглощение связано со взаимодействием («гибридизацией») двойного циклотронного и плазмонного резонансов. Вблизи частоты двойного циклотронного резонанса плазменные волны очень сильно замедляются — их скорость падает практически до нуля. Падающий на графен свет улавливается и превращается в сверхмедленную поверхностную волну, такие волны «застревают» в графене и находятся в нем, пока не будут поглощены.
«Факт усиления поглощения при возбуждении медленных поверхностных волн был известен достаточно давно, — рассказывает Денис Бандурин, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. — Однако раньше считалось, что поверхностные волны в полупроводниках не могут быть медленнее, чем электроны, которые движутся в волне. Для графена скорость электронов где-то в 300 раз медленнее скорости света. Наше исследование показывает, что предела для замедления света фактически не существует — он может быть замедлен до полной остановки при включении уже небольшого магнитного поля».
Необычным свойством графена здесь является и то, что он совмещает в себе три роли: антенны, поглотителя и генератора фототока. Обычно в полупроводниковой технике эти роли отводились разным материалам и разным приборам. При этом сильного поглощения в графене удается достичь при сверхмалом (субволновом) размере устройства.
«Мы ожидаем, что графен в магнитном поле может оказаться сверхпоглотителем, — комментирует заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ Дмитрий Свинцов. — То есть он будет захватывать свет не только с площади, превышающей свой геометрический размер. Он сможет захватывать свет с площади, большей квадрата длины волны. Аномально малая скорость плазмонов в намагниченном графене создает для этого все предпосылки».