HZDR輻射物理研究所、ICN2納米級系統超快動力學小組、埃克塞特大學石墨烯科學中心和埃因霍溫理工大學的研究人員進行的一項研究表明，石墨烯基的材料可用于有效地將高頻信號（在太赫茲范圍內）轉換為可見光，并且這種機制是可調的。這些成果為未來信息和通信技術的應用開辟了道路。

將信號從一種頻率轉換為另一種頻率的能力是各種技術的關鍵，特別是在電信領域，例如，電子設備處理的數據往往作為光信號通過光纖傳輸。為了實現更高的數據傳輸速率，未來的6G無線通信系統需要將載波頻率從100GHz擴展到太赫茲(THz)范圍。因此需要一種將太赫茲波轉換為可見光或電信光的快速可控機制。成像和傳感技術也可以從中受益。

圖片來源：The Graphene Council

現在缺少的是一種能夠將光子能量上轉換1000倍左右的材料：從毫電子伏(meV)范圍到大約1電子伏。研究人員最近發現了所謂的狄拉克量子材料，例如石墨烯和拓撲絕緣體，對太赫茲光脈沖具有強烈的非線性響應。這體現在用太赫茲脈沖激發后高效產生高次諧波。這些諧波仍在太赫茲范圍內，然而，也首次觀察到石墨烯在紅外和太赫茲激發下發出可見光。到目前為止，這種效果極其低效，其潛在的物理機制也不清楚。

發表在《Nano Letters》上的一篇文章展示了石墨烯系統中太赫茲光到可見光的超快可調轉換。該研究由來自 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德國 HZDR）的Igor Ilyakov博士和Sergey Kovalev博士以及加泰羅尼亞納米科學與納米技術研究所（ICN2，西班牙）和埃因霍溫理工大學（荷蘭）的Klaas-Jan Tielrooij教授領導。他們為這一機制提供了物理解釋，并展示了如何通過使用高摻雜石墨烯（所謂的GraphExeter）和使用光柵石墨烯超材料來強烈增強光發射。他們還觀察到這種轉換發生得非常快——在亞納秒時間尺度上——并且可以通過靜電門控進行控制。

作者將石墨烯中的光頻轉換歸因于太赫茲引起的熱輻射機制：電荷載流子從入射太赫茲場吸收電磁能；被吸收的能量在材料中迅速分布，導致載流子加熱；最后，由于黑體輻射，這導致可見光譜中的光子發射。

在石墨烯基材料中實現的太赫茲到可見光轉換的可調性和速度在信息和通信技術中具有巨大的應用潛力。潛在的超快熱力學機制肯定會對太赫茲到電信的互連以及任何需要超快信號頻率轉換的技術產生影響。

審核編輯 ：李倩