Graphene sheds light on terahertz waves / Il grafene fa luce sulle onde su frequenze del terahertz.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Terahertz waves could be applied more broadly following the development of a technique to control the intensity and the polarization of terahertz light with graphene.

Terahertz waves allow for the detection of materials that are undetectable at other frequencies, but the use of these waves is limited by the absence of suitable devices and materials that control them.
Now, researchers at the University of Geneva (UNIGE), working with the Federal Polytechnic School in Zurich (ETHZ) and two Spanish research teams, have overcome this limitation with a technique that paves the way for a practical use of terahertz waves, in particular for imaging and telecommunications. The work is described in Nature Communications.
“The interaction between terahertz radiation and the electrons in graphene is very strong and we have therefore come to the hypothesis that it should be possible to use graphene to manage terahertz waves,” said Alexey Kuzmenko from the Department of Quantum Matter Physics of UNIGE’s Faculty of Sciences.
Working within the framework of the European project Graphene Flagship, the scientists have made a graphene-based transistor adapted to terahertz waves.
“By combining the electrical field, which enables us to control the number of electrons in graphene and thus allows more or less light to pass through, with the magnetic field, which bends the electronic orbits, we have been able to control not just the intensity of the terahertz waves, but also their polarisation,” said Jean-Marie Poumirol, a member of the UNIGE research team and the first author of the study. “It is rare that purely electrical effects are used to control magnetic phenomena.”

The UNIGE researchers plan to move on from the prototype and develop systems that make terahertz waves industrially competitive in the next few years.
Two main areas of application have been identified, the first of which is in communications.
“Using a film of graphene associated with terahertz waves, we should be potentially able to send fully-secured information at speeds of about 10 to 100 times faster than with Wi-Fi or radio waves, and do it securely over short distances,” said Poumirol.
The team has identified imaging as the second main area where their technique could be applied. Being non-ionising, terahertz waves do not alter DNA and therefore are very useful in medicine, biology and pharmacy.
Additionally, the control of the circular polarisation of the terahertz waves will allow distinction between different symmetries of biological molecules, which is an important property in medical applications. Furthermore, the team believes there are potential applications in homeland security.
“Terahertz waves are stopped by metals and are sensitive to plastics and organic matter,” said Kuzmenko. “This could lead to more effective means of detecting firearms, drugs and explosives carried by individuals, and could perhaps serve as a tool to strengthen airport safety.”

ITALIANO

Le onde sulla frequenza del Terahertz potrebbero essere applicate più ampiamente in seguito allo sviluppo di una tecnica per controllare l'intensità e la polarizzazione della luce con frequenza del terahertz con grafene.

Le onde sulla frequenza del Terahertz consentono il rilevamento di materiali che sono rilevabili ad altre frequenze, ma l'uso di queste onde è limitato dalla mancanza di appositi dispositivi e materiali che li controllano.
Ora, i ricercatori presso l'Università di Ginevra (UNIGE), in collaborazione con la Scuola Politecnica Federale di Zurigo (ETHZ) e due gruppi di ricerca spagnoli, hanno superato questo limite con una tecnica che apre la strada a un uso pratico di onde sulla frequenza del terahertz, in particolare per l'analisi dell'immagine e le telecomunicazioni. Il lavoro è descritto in Nature Communications.
"L'interazione tra radiazione con frequenza del terahertz e gli elettroni nel grafene è molto forte e siamo dunque giunti ad ipotizzare che dovrebbe essere possibile utilizzare il grafene per gestire le onde sulla frequenza del terahertz", ha detto Alexey Kuzmenko del Dipartimento di Quantum Fisica della Materia della Facoltà di  UNIGE Scienze.
Lavorando nell'ambito del progetto europeo grafene Flagship, gli scienziati hanno fatto un transistor di grafene a base adattata alle onde terahertz.
"Combinando il campo elettrico, che permette di controllare il numero di elettroni nel grafene e permette quindi più o meno il passaggio della luce, con il campo magnetico, che piega le orbite elettroniche, siamo stati in grado di controllare non solo l'intensità delle onde terahertz, ma anche la loro polarizzazione ", ha detto Jean-Marie Poumirol, un membro del gruppo di ricerca UNIGE e il primo autore dello studio. "È raro che gli effetti puramente elettrici siano utilizzati per controllare i fenomeni magnetici."

I ricercatori di UNIGE hanno in programma  di passare dal prototipo e sviluppare sistemi che rendono le onde sulla frequenza del terahertz industrialmente competitive nei prossimi anni.
Due aree principali di applicazione sono stati identificate, la primo dei quali è nella comunicazione.
"Con l'utilizzo di un film di grafene associato con le onde terahertz, dovremmo essere potenzialmente in grado di inviare informazioni completamente protette ad una velocità di circa da 10 a 100 volte più velocemente che con le onde Wi-Fi o radiofoniche, e farlo in modo sicuro su brevi distanze", ha detto Poumirol.
Il gruppo ha identificato l'analisi delle immagini come la seconda area principale in cui potrebbe essere applicata la loro tecnica. Essendo non ionizzanti, le onde sulla frequenza del terahertz non alterano il DNA e quindi sono molto utili in medicina, biologia e farmacia.
Inoltre, il controllo della polarizzazione circolare delle onde terahertz consentirà la distinzione tra differenti simmetrie di molecole biologiche, che è una proprietà importante in applicazioni mediche. Inoltre, il gruppo ritiene che vi sono potenziali applicazioni nella sicurezza del territorio.
"Le onde con frequenza del Terahertz vengono fermate da metalli e sono sensibili alle materie plastiche e alla materia organica", ha detto Kuzmenko. "Questo potrebbe portare a mezzi più efficaci per rilevare armi da fuoco, droghe ed esplosivi trasportati da individui, e potrebbe forse servire come strumento per rafforzare la sicurezza aeroportuale."


Da:

https://www.theengineer.co.uk/graphene-sheds-light-on-terahertz-waves/?cmpid=tenews_3172091