Anisotropy and amplification of terahertz electromagnetic response enabled by direct electric current in graphene

封面

如何引用文章

全文:

详细

The purpose of this study is to investigate the polarization conversion and amplification of electromagnetic terahertz (THz) wave incident normally upon graphene monolayer with direct electric current flowing at arbitrary angle to the elecric vector of incident wave. Methods. The expressions for the elements of the dynamic conductivity tensor of graphene were obtained in hydrodynamic approximation. The electromagnetic response is calculated by solving the Maxwell equations with standard boundary conditions for lateral components of the electric and magnetic fields. Results. It is shown that the dynamic conductivity of graphene depends on value and direction of the electron drift velocity even in the absence of the spatial dispersion. This results in the polarization conversion of electromagnetic radiation at THz frequencies. The real parts of elements of graphene dynamic conductivity tensor can become negative which leads to the amplification of THz oscillations. Conclusion. The polarization conversion and amplification of electromagnetic THz wave incident upon graphene with direct electric current is demonstrated. Polarization conversion efficiency can be as high as 97 percent.

作者简介

I. Moiseenko

Moscow Institute of Physics and Technology

9 Institutskiy per., Dolgoprudny, Moscow Region, 141700, Russian Federation

Denis Fateev

Saratov Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0003-1406-5385
SPIN 代码: 6228-0865
Scopus 作者 ID: 17433978100
Researcher ID: K-2579-2012
ul. Zelyonaya, 38, Saratov, 410019, Russia

Vyacheslav Popov

Saratov Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0003-1303-6443
SPIN 代码: 2016-4235
Scopus 作者 ID: 56870876100
Researcher ID: H-8678-2016
ul. Zelyonaya, 38, Saratov, 410019, Russia

参考

  1. Bandurin D. A., Svintsov D., Gayduchenko I., Xu S. G., Principi A., Moskotin M., Tretyakov I., Yagodkin D., Zhukov S., Taniguchi T., Watanabe K., Grigorieva I. V., Polini M., Goltsman G. N., Geim A. K., Fedorov G. Resonant terahertz detection using graphene plasmons // Nat. Commun. 2018. Vol. 9. P. 5392. doi: 10.1038/s41467-018-07848-w.
  2. Abidi E., Khan A., Delgado-Notario J. A., Clerico V., Calvo-Gallego J, Taniguchi T., Watanabe K., Otsuji T., Velazquez J. E., Meziani Y. M. Terahertz detection by asymmetric dual grating gate bilayer graphene fets with integrated bowtie antenna // Nanomaterials. 2024. Vol. 14, iss. 4. P. 383. doi: 10.3390/nano14040383.
  3. Boubanga-Tombet S., Knap W., Yadav D., Satou A., But D. B., Popov V. V., Gorbenko I. V., Kachorovskii V., and Otsuji T. Room-temperature amplification of terahertz radiation by gratinggate graphene structures // Physical Review X. 2020. Vol. 10, iss. 3. P. 031004. DOI: 10.1103/ PhysRevX.10.031004.
  4. Cosme P., Tercas H. Terahertz laser combs in graphene field-effect transistors // ACS Photonics. 2020. Vol. 7, iss. 6. P. 1375–1381. doi: 10.1021/acsphotonics.0c00313.
  5. Xiao Z., Jiang Z., Wang X., Cui Z. Switchable polarization converter with switching function based on graphene and vanadium dioxide // Journal of Electronic Materials. 2023. Vol. 52, iss. 3. P. 1968–1976. doi: 10.1007/s11664-022-10149-0.
  6. Polischuk O. V., Melnikova V. S., Popov V. V. Giant cross-polarization conversion of terahertz radiation by plasmons in an active graphene metasurface // Applied Physics Letters. 2016. Vol. 109, iss. 13. doi: 10.1063/1.4963276.
  7. Guo T., Argyropoulos C. Broadband polarizers based on graphene metasurfaces // Optics letters. 2016. Vol. 41, iss. 23. P. 5592–5595. doi: 10.1364/OL.41.005592.
  8. Moiseenko I. M., Fateev D. V., Popov V. V. Dissipative drift instability of plasmons in a single-layer graphene // Physical Review B. 2024. Vol. 109, iss. 4. P. L041401. doi: 10.1103/PhysRevB.109. L041401.
  9. Narozhny B. N. Electronic hydrodynamics in graphene // Annals of Physics. 2019. Vol. 411. P. 167979. doi: 10.1016/j.aop.2019.167979.
  10. Bandurin D. A., Torre I., Krishna Kumar R., Ben Shalom M., Tomadin A., Principi A., Auton G. H., Khestanova E., Novoselov K. S., Grigorieva I. V., Ponomarenko L. A., Geim A. K., Polini M. Negative local resistance caused by viscous electron backflow in graphene // Science. 2016. Vol. 351, iss. 6277. P. 1055–1058. doi: 10.1126/science.aad0201.
  11. Kumar C., Birkbeck J., Sulpizio J. A., Perello D., Taniguchi T., Watanabe K., Reuven O., Scaffidi T., Stern Ady, Geim A. K., Ilani S. Imaging hydrodynamic electrons flowing without Landauer–Sharvin resistance // Nature. 2022. Vol. 609, iss. 7926. P. 276–281. doi: 10.1038/s41586-022-05002-7.
  12. Svintsov D., Vyurkov V., Ryzhii V., and Otsuji T. Hydrodynamic electron transport and nonlinear waves in graphene // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88. P. 245444. doi: 10.1103/PhysRevB.88.245444.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».