Nieuw 2D metaalhalide-apparaat maakt precieze terahertz-emissiecontrole mogelijk

Onderzoekers hebben twee-dimensionale hybride metaalhalogeniden gebruikt in een apparaat dat richtingscontrole mogelijk maakt van terahertz-straling gegenereerd door een spintronisch schema. Het apparaat heeft een betere signalefficiëntie dan conventionele terahertz-generators, en is dunner, lichter en goedkoper om te produceren.

Terahertz (THz) verwijst naar het deel van het elektromagnetische spectrum (frequenties tussen 100 GHz en 10 THz) tussen microgolf en optisch. THz-technologieën hebben beloofd voor toepassingen variërend van snellere computing en communicatie tot gevoelige detectieapparatuur. Het creëren van betrouwbare THz-apparaten is echter uitdagend geweest vanwege hun grootte, kosten en energieconversie-inefficiëntie.

"Ideaal zouden toekomstige THz-apparaten lichtgewicht, laagprijs en robuust moeten zijn, maar dat is moeilijk te bereiken met huidige materialen," zei Dali Sun, assistent professor natuurkunde aan de North Carolina State University. "In dit werk vonden we dat een 2D hybride metaalhalide, die veelvoorkomend is in zonnecellen en diodes, in combinatie met spintronica, aan verschillende van deze eisen kan voldoen."

De 2D hybride metaalhalide in kwestie is een populaire en commercieel beschikbare synthetische hybride halfgeleider: butylammonium lood jodium. Spintronica verwijst naar het controleren van de spin van een elektronen, in plaats van alleen zijn lading te gebruiken, om energie te creëren.

Sun en collega's van Argonne National Laboratories, de University of North Carolina at Chapel Hill en Oakland University creëerden een apparaat dat de 2D hybride metaalhalogeniden laagde met een ferromagnetisch metaal, en exciteerde het met een laser, wat een ultrasnelle spinstroom creëerde die op zijn beurt THz-straling genereerde.

Het team ontdekte dat niet alleen het 2D hybride metaalhalide-apparaat de grotere, zwaardere en duurdere THz-emitters die momenteel in gebruik zijn, uitpresteerde, ze vonden ook dat de eigenschappen van de 2D hybride metaalhalide hen toestonden om de richting van de THz-transmissie te controleren.

"Traditionele terahertz-zenders waren gebaseerd op ultrasnelle fotostroom," zei Sun. "Maar spintronisch gegenereerde emissies produceren een bredere bandbreedte van THz-frequenties, en de richting van de THz-emissie kan worden gecontroleerd door de snelheid van de laserpuls en de richting van het magnetische veld te wijzigen, wat op zijn beurt de interactie van magnonen, fotonen en spins beïnvloedt, en ons richtingscontrole geeft."

Sun gelooft dat dit werk een eerste stap kan zijn in het verkennen van 2D hybride metaalhalide-materialen in het algemeen als potentiëel nuttig in andere spintronische toepassingen.

"Het hier gebruikte 2D hybride metaalhalide-gebaseerde apparaat is kleiner en economischer om te produceren, is robuust en werkt goed bij hogere temperaturen," zei Sun. "Dit suggereert dat 2D hybride metaalhalide-materialen superieur kunnen blijken aan conventionele halfgeleidermaterialen voor THz-toepassingen, die geavanceerde afscheidingstechnieken vereisen die gevoeliger zijn voor defecten."