Terahertsi (THz) tehnoloogia on kasulik sellistes rakendustes nagu biomeditsiiniline pildistamine, telekommunikatsioon ja täiustatud andursüsteemid. Kuid elektromagnetlainete ainulaadse olemuse tõttu vahemikus 0,1 kuni 10 terahertsi on olnud raske välja töötada suure jõudlusega komponente, mis demonstreeriksid terahertstehnoloogia tõelist potentsiaali. Isegi sisuliselt komponentideta osade, nagu filtrid ja absorbendid, disain on endiselt suur väljakutse.
Õnneks võib metamaterjalide kasv viia nendele probleemidele uuenduslike lahendusteni. Tänu tootmis- ja töötlemistehnoloogiate edusammudele on nüüd võimalik valmistada kahemõõtmelisi (2D) mustriga mikrostruktuure, millel on ainulaadsed elektromagnetilised omadused terahertsi vahemikus, mis võimaldab neil sagedustel signaale enneolematult juhtida.
Kuigi laineid neelavate materjalide jaoks on pakutud mitmesuguseid 2D metamaterjale (või "hüperpindu"), on enamikul neist siiski tõsised piirangud. Levinud probleem on see, et kui ülipinda neelava materjali struktuursed režiimid on tuvastatud ja valmistatud, fikseeritakse selle elektromagnetilised omadused.
See häälestamatus piirab selliste seadmete võimalikke rakendusi. Teisest küljest, kuigi on olemas häälestatavad metallipõhised ülipinna neeldujad, ei soovitata õhukeste metallikihtide kasutamist. Selle põhjuseks on mitmed puudused, näiteks vajalike konstruktsioonide valmistamise raskus ja metallidele omastest omadustest tingitud kehv jõudlus.
Sellega seoses on dr Wenhan Cao meeskond Shanghai Teadus- ja Tehnoloogiaülikoolist välja töötanud uudse süsinikupõhise häälestatava metapinna neelduja ülilaia häälestatava ribalaiusega terahertsi vahemikus. See dr Wenhan Cao juhitud uurimus avaldati hiljuti ajakirjas Advanced Photonics Nexus.
"Absorberi südamik kasutab resonaatoritena grafeeni ja grafiidi mikrostruktuure ning tagasipeegeldavate pindadena grafiidikihte." Dr Wenhan Cao selgitab: "Selle terahertsi metapinna neelduri korduvad subühikud (või "rakud") on strateegiliselt kavandatud neeldumise efektiivsuse optimeerimiseks, tuginedes neljale põhitegurile: geomeetria, materjali omadused, polarisatsioonitundlikkus ja häälestusmehhanism."
Geomeetriliselt koosneb neelduja kolmest õhukesest kihist. Pealmine kiht on mustriline juhtiv kiht, mis sisaldab kontsentrilisi grafiitrõngaid, mis on omavahel ühendatud grafeenjuhtmetega; teine kiht on lihtne dielektrik, mis aitab hajutada soovimatuid elektromagnetlaineid; ja kolmas kiht on neelav kiht, mis takistab terahertsilainetel otse läbi seadme tungimist, maksimeerides seeläbi neeldumistõhusust.
Absorberi materjali valik ja geomeetriline kujundus on optimeeritud numbrilise analüüsi ja simulatsiooni abil, mis aitab kaasa selle märkimisväärsele neeldumisele terahertsi vahemikus. Eelkõige on kavandatava neelduri peamine omadus selle häälestatavus, mis tuleneb häälestatavatest Fermi energiatasemetest. See parameeter on materjalide ja pooljuhtide tehnoloogias ülioluline, kuna see määrab elektronide jaotuse erinevatel energiatasemetel.
Rakendades grafeenikihile pinget, on võimalik muuta selle Fermi energiataset ja seeläbi hõlpsasti peenhäälestada neeldumisriba laiust. Dr Wenhan Cao rõhutas: "Fermi energiatasemel 1 eV suudab kavandatav neelduja saavutada hämmastavalt laia ribalaiuse 8,99 THz, pakkudes enam kui 90% neeldumist sagedusvahemikus 7,24 kuni 16,23 THz kahe erineva resonantsi piigiga. 8,35 THz ja 14,70 THz."
Kavandatava konstruktsiooni teine oluline eelis on selle tundlikkus langeva kiirguse polarisatsiooninurga suhtes. Selle soodsa omaduse annab loomulikult kontsentriliste ringide kasutamine neelduja lahtris. Täiesti sümmeetrilise kujuga ring võimaldab neeldujal säilitada kõrget neeldumiskiirust kuni 50 kraadise nurga all.
Lühidalt, pakutud disaini paljud eelised koos selle lihtsusega kujutavad endast tõelist läbimurret terahertstehnoloogias." Kavandatav neelduja pakub üliõhukest, lihtsat metallivaba konstruktsiooni laia häälestatava neeldumisriba laiusega väikese paksuse juures, mis suuresti Need eelised ületavad teisi teatatud absorbeerijaid.
Lähitulevikus saavad terahertsseadmed igapäevase tehnoloogia osaks, eriti sellistes valdkondades nagu meditsiin ja side, aga ka rohkem uurimistööle orienteeritud valdkondades nagu materjaliteadus ja bioloogia.
