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양자 효과는 기가헤르츠파에서 테라헤르츠 복사로 주파수를 증가시킨다.

테라헤르츠 부스터로서의 메타물질
양자 효과는 기가헤르츠파에서 테라헤르츠 복사로 주파수를 증가시켰다.

테라헤르츠 시대를 위한 변환기:
특별히 구조화된 메타물질은 테라헤르츠 방사선의 효율적인 소스임이 입증됐다. 들어오는 기가헤르츠파의 주파수를 곱하여 더 높은 주파수의 테라헤르츠 복사를 생성할 수 있다. 양자 효과 덕분에 이 주파수 배율기는 이전 기술보다 더 효율적이다. 메타물질은 칩 규모의 테라헤르츠 발생기로 가는 길을 닦고 6G 기술을 발전시킬 수 있다. 

▲ 주파수 증가: 더 긴 파장의 기가헤르츠 펄스(빨간색)가 메타물질을 때리고 입력 주파수(노란색)의 배수인 테라헤르츠파로 변환된다. © WERKSTATT X / HZDR

테라헤르츠 복사는 전자기파의 특히 유망한 주파수 범위로 간주된다. 마이크로파와 적외선 사이에 있는 방사선은 파괴되지 않고 많은 일반 재료를 투과할 수 있기 때문에 공항 스캐너, 재료 테스트 또는 닫힌 책을 조사하는 데 사용된다. 기존 기가헤르츠 이동통신에 비해 클럭 속도가 1천 배 이상 빨라 데이터 전송 속도도 빨라지고 6세대 이동통신 네트워크의 기반이 될 수 있다.

문제는 탐나는 방사선을 생산하기 위해 복잡한 기술이 필요하다는 것이다. 많은 시스템은 특수 실험실에서만 고출력 레이저와 함께 사용할 수 있다. 또한, "새로운 광전자 부품의 경우 먼저 실제로 적합한 재료와 방법을 찾아야 한다"고 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR)의 수석 저자 세르게이 코발레프(Sergey Kovalev)가 설명했다.

테라헤르츠 방사선 소스 검색

노력을 줄이는 한 가지 방법은 주파수 변환기(일반 통신 기술의 기가헤르츠(GHz) 복사 주파수를 증가시켜 단파 테라헤르츠(THz) 복사가 되도록 하는 재료)다. 이러한 주파수 증가는 그래프나 맞춤형 메타물질에서 볼 수 있는 것과 같은 특수한 형태의 비선형 상호작용을 통해 발생할 수 있다.

들어오는 빔 펄스에 대한 전자의 반응은 공명 효과를 일으켜 재료가 고조파 발진기처럼 동작하도록 한다. 기가헤르츠 펄스의 강한 전기장은 재료의 자유 전자를 가속화하여 더 높은 주파수에서 복사 펄스를 방출한다. 그러나 그래프의 경우 이 빈도 변환은 잠시만 작동한다.

Kovalev의 동료 Jan-Christoph Deinet은 "그래핀이 높은 강도에서 한계에 도달하는 것을 보았다. 복사 펄스 때문에 단층 탄소층은 즉시 수천 도(℃)까지 가열되고 기가헤르츠 복사를 흡수하는 능력을 잃는다.

▲ 그림 1: Bi2Se3 대 그래핀에서 THz 고조파 생성. a, b 그래핀(a) 및 Bi2Se3(b) 메타물질에서 3차 고조파 생성 연구의 도식적 실험 레이아웃.(관련논문 Milliwatt terahertz harmonic generation from topological insulator metamaterials)

주파수 변환기로서의 메타물질

Kovalev와 그의 팀은 이제 맞춤형 메타물질 형태로 보다 효율적이고 안정적인 대안을 찾았다. 이것은 소위 위상 절연체 중 하나인 물질인 비스무트셀레나이드(Bi2Se3)의 100나노미터 얇은 결정을 기반으로 한다. 이러한 물질에서 결정 내부는 비전도성인 반면 표면의 전자는 자유롭게 이동하고 전기를 전도한다.

이 결정을 주파수를 증가시키는 메타물질로 바꾸기 위해 연구원들은 표면의 일부에 금 조각의 초미세 격자를 증착했다. "이 금속 그리드는 활성 표면적을 너무 많이 잃지 않으면서 틈의 전기장을 증폭한다"고 팀은 설명했다. 금 라멜라는 작은 안테나처럼 들어오는 기가헤르츠(GHz) 복사를 포착해 생성하는 전자의 들뜸을 증폭시킨다.

▲ 그림 2: 고조파 생성의 시간 영역 진화. d, e :그래핀(d)의 열 축적 및 TI(e)의 효율적인 표면 대 벌크 소산의 개략도 (관련논문 Milliwatt terahertz harmonic generation from topological insulator metamaterials / Light/Science Application)

그래핀보다 더 효율적이고 안정적인 변환

테스트에서 Kovalev와 그의 팀은 500GHz 주파수와 75밀리와트(mW) 전력의 빔 펄스로 이 메타물질을 조사했다. 이에 대한 응답으로 금 라멜라로 덮인 수정은 증가된 주파수에서 들어오는 방사선의 일부를 다시 방출했다. 물리학자들은 "샘플은 약 0.5mW의 THz(테라헤르츠) 복사를 생성했ek. 이는 약 8%의 필드 변환 효율에 해당한다"며 "이것은 그래핀에 비해 몇 자릿수의 개선이다"고 보고 했다.

그래핀과 달리 셀레나이드 비스무트 메타물질의 변환도 안정적으로 유지됐다. 연구자들은 주파수 증가가 들어오는 방사선 펄스의 전체 기간 지속된다는 것을 발견했다. 이유는 크리스탈 내부가 절연체 역할을 하기 때문에 자극을 받지 않고 발생하는 열을 빠르게 발산할 수 있다. 결과적으로 이 재료는 단층 그래핀보다 덜 가열되고 기가헤르츠 복사를 흡수하고 변환하는 능력을 유지한다.

그들 중 더 많은 것이 있다.

“시스템은 실온에서도 매우 효율적이다. 그리고 우리는 아직 한계에 도달하지 않았다. 우리는 아마도 더 높은 강도를 위해 파워를 더 높일 수 있을 것이다"고 공동 저자인 HZDR의 Georgy Astakhov가 말했다. 다음으로 팀은 메타물질 프로토타입을 더욱 최적화할 계획이다. 물리학자들은 또한 프로세스가 작동하는 복사 강도 또는 그래핀과 위상 절연체가 기능적으로 결합될 수 있는지 조사하기를 원한다.

연구원들은 기가헤르츠(GHz)파에서 테라헤르츠(THz) 복사를 생성하기 위한 주파수 변환기로 다른 위상 절연체도 적합할 수 있다고 생각한다. 이러한 메타 물질은 소형화되고 효율적인 테라헤르츠(THz) 소스로 가는 길을 열 수 있다. 따라서 데이터 전송 및 이동 통신을 위한 새로운 기술로 가는 길을 닦을 수 있다.
(Light: Science & Applications, 2022; doi: 10.1038/s41377-022-01008-y)
출처: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf / 헬름홀츠 센터 드레스덴-로젠도르프

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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