[論文レビュー] Carbon nanotubes for polarization sensitive terahertz plasmonic interferometry

Yakov Matyushkin, S. N. Danilov+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Terahertz technology and applications参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、曲がったバタフライ型アレスタを備えたカーボンナノチューブフィールド効果トランジスタ（FET）が、右回りと左回りの円偏光THz放射に対して明確に異なる整流電圧を示すため、偏光に敏感なテラヘルツプラズモン干渉計として機能することを示している。この効果は位相非対称なプラズモン波の干渉に起因し、ヘリシティおよび位相に敏感な応答は、プラズモン波の減衰長に特徴づけられる低次元系において普遍的な特徴である。

ABSTRACT

We report on helicity sensitive photovoltaic terahertz radiation response of a carbon nanotube made in a conguration of a field effect transistor. We find that the magnitude of the rectified voltage is different for clockwise and anticlockwise circularly polarized radiation. We demonstrate that this effect is a fingerprint of the plasma waves interference in the transistor channel. We also find that that the presence of the helicity- and phase-sensitive interference part of the photovoltaic response is a universal phenomenon which is obtained in the systems of different dimensionality with different single particle spectrum. Its magnitude is characteristic of the plasma wave decay length. This opens up a wide avenue for applications in the area of plasmonic interferometry.

研究の動機と目的

• カーボンナノチューブベースのフィールドエフェクトトランジスタにおける偏光に敏感なテラヘルツ検出を実証すること。
• ヘリシティ依存の光起電圧がトランジスタチャネル内のプラズモン波の干渉に起因することを確立すること。
• この干渉効果が、さまざまな単粒子スペクトルを有する低次元系において普遍的であることを示すこと。
• 干渉応答の大きさがプラズモン波の減衰長に関連することを結びつけること。
• ゲート電圧によるチューニングと位相非対称性を活用して、プラズモン干渉計の応用を可能にすること。

提案手法

• 化学気相成長と電子線リソグラフィーを用いて金電極を備えた単層カーボンナノチューブFETを製造した。
• プラズモン干渉に位相非対称性を誘導するため、40°のスリーブ曲率を持つ曲がったバタフライ型アレスタを採用した。
• 100 Kで2.54 THzの連続波メタノールレーザー放射（P ≈20 mW）を照射した。
• ゲート電圧と円偏光状態（左回転および右回転）を変化させながら、整流された光起電圧を測定した。
• 流体力学的非線形性と一般化されたプラズモン干渉モデルに基づく理論的分析を行った。
• ゲート電圧を用いてキャリア密度をチューニングし、チャネル内の位相非対称応答を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィールドエフェクトトランジスタ構造におけるカーボンナノチューブが、プラズモン干渉に起因して偏光に敏感なテラヘルツ応答を示すことができるか？
• RQ2 円偏光THz放射下でのカーボンナノチューブFETにおけるヘリシティ依存の光起電圧の起源は何か？
• RQ3 位相およびヘリシティに敏感な干渉応答は、異なる次元性および単粒子スペクトルを有するさまざまな低次元系において普遍的現象であるか？
• RQ4 干渉信号の大きさは、減衰長などの内在的プラズモン特性とどのように関係するか？
• RQ5 この効果はチューニング可能であり、プラズモン干渉計の応用に活用可能か？

主な発見

• カーボンナノチューブFETにおける整流電圧は、右回りと左回りの円偏光THz放射に対して顕著に異なるため、ヘリシティに敏感であることが確認された。
• 観測された効果は、流体力学的モデリングにより確認された、トランジスタチャネル内での位相非対称なプラズモン波の干渉に起因する。
• 干渉応答の大きさは、重要な材料パrameterであるプラズモン波の減衰長に比例する。
• ヘリシティおよび位相に敏感な応答は、次元性や単粒子スペクトルが異なるさまざまな系において普遍的である。
• この効果はゲート電圧でチューニング可能であり、干渉計応答を能動的に制御できる。
• この系はチューナブルなプラズモン干渉計として機能し、偏光多重化THzセンシングの新しい道を開く。