[论文解读] 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 4

一句话总结

本文展示了具有弯曲蝴蝶结天线的碳纳米管场效应晶体管（FET）可作为偏振敏感的太赫兹等离子体干涉仪，对顺时针与逆时针圆偏振太赫兹辐射表现出不同的整流电压。该效应源于相位非对称的等离子体波干涉，其手性与相位敏感响应是低维系统中的普遍特性，由等离子体波衰减长度表征。

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.

研究动机与目标

• 展示基于碳纳米管的场效应晶体管可实现偏振敏感的太赫兹探测。
• 确立在圆偏振太赫兹辐射下，手性依赖的光生电压源于晶体管沟道中等离子体波的干涉。
• 表明该干涉效应在具有不同单粒子能谱的低维系统中具有普适性。
• 将干涉响应的大小与等离子体波衰减长度相关联。
• 通过栅压可调性和相位不对称性，实现对等离子体干涉测量新应用的拓展。

提出的方法

• 采用化学气相沉积法和电子束光刻技术制备了具有金电极的单壁碳纳米管FET。
• 采用具有40°套筒曲率的弯曲蝴蝶结天线，以诱导等离子体干涉的相位不对称性。
• 在100 K下，使用2.54 THz连续波甲醇激光辐射（P ≈20 mW）照射器件。
• 在不同栅压和圆偏振态（左旋与右旋）下测量整流后的光生电压。
• 基于流体动力学非线性和广义等离子体干涉模型进行理论分析。
• 利用栅压调节载流子密度，并探测沟道中的相位不对称响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于场效应晶体管结构的碳纳米管是否能因等离子体波干涉而表现出偏振敏感的太赫兹响应？
• RQ2 在圆偏振太赫兹辐射下，碳纳米管FET中手性依赖的光生电压的起源是什么？
• RQ3 相位与手性敏感的干涉响应是否是不同低维系统中的普遍现象？
• RQ4 干涉信号的大小如何与等离子体波的本征特性（如衰减长度）相关？
• RQ5 该效应是否可调制并用于等离子体干涉测量应用？

主要发现

• 碳纳米管FET中的整流电压在顺时针与逆时针圆偏振太赫兹辐射下显著不同，证实了其手性敏感性。
• 该效应源于晶体管沟道中等离子体波的相位非对称干涉，经流体动力学建模验证。
• 干涉响应的大小与等离子体波衰减长度成正比，后者是关键材料参数。
• 手性与相位敏感响应在不同维度和单粒子能谱的系统中均具有普适性。
• 该效应可通过栅压调制，实现对干涉响应的主动调控。
• 该系统可作为可调谐等离子体干涉仪，为偏振复用太赫兹传感开辟新途径。