用于未来电信的石墨烯超快可调太赫兹到可见光转换

HZDR辐射物理研究所、ICN2纳米级系统超快动力学小组、埃克塞特大学石墨烯科学中心和埃因霍温理工大学的研究人员进行的一项研究表明，石墨烯基的材料可用于有效地将高频信号（在太赫兹范围内）转换为可见光，并且这种机制是可调的。这些成果为未来信息和通信技术的应用开辟了道路。

将信号从一种频率转换为另一种频率的能力是各种技术的关键，特别是在电信领域，例如，电子设备处理的数据往往作为光信号通过光纤传输。为了实现更高的数据传输速率，未来的6G无线通信系统需要将载波频率从100GHz扩展到太赫兹(THz)范围。因此需要一种将太赫兹波转换为可见光或电信光的快速可控机制。成像和传感技术也可以从中受益。

图片来源：The Graphene Council

现在缺少的是一种能够将光子能量上转换1000倍左右的材料：从毫电子伏(meV)范围到大约1电子伏。研究人员最近发现了所谓的狄拉克量子材料，例如石墨烯和拓扑绝缘体，对太赫兹光脉冲具有强烈的非线性响应。这体现在用太赫兹脉冲激发后高效产生高次谐波。这些谐波仍在太赫兹范围内，然而，也首次观察到石墨烯在红外和太赫兹激发下发出可见光。到目前为止，这种效果极其低效，其潜在的物理机制也不清楚。

发表在《Nano Letters》上的一篇文章展示了石墨烯系统中太赫兹光到可见光的超快可调转换。该研究由来自 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德国 HZDR）的Igor Ilyakov博士和Sergey Kovalev博士以及加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所（ICN2，西班牙）和埃因霍温理工大学（荷兰）的Klaas-Jan Tielrooij教授领导。他们为这一机制提供了物理解释，并展示了如何通过使用高掺杂石墨烯（所谓的GraphExeter）和使用光栅石墨烯超材料来强烈增强光发射。他们还观察到这种转换发生得非常快——在亚纳秒时间尺度上——并且可以通过静电门控进行控制。

作者将石墨烯中的光频转换归因于太赫兹引起的热辐射机制：电荷载流子从入射太赫兹场吸收电磁能；被吸收的能量在材料中迅速分布，导致载流子加热；最后，由于黑体辐射，这导致可见光谱中的光子发射。

在石墨烯基材料中实现的太赫兹到可见光转换的可调性和速度在信息和通信技术中具有巨大的应用潜力。潜在的超快热力学机制肯定会对太赫兹到电信的互连以及任何需要超快信号频率转换的技术产生影响。

审核编辑 ：李倩