有了石墨烯 未来我们可以用光搭建无线网络


来源:arstechnica

[导读]  最近,研究人员已经证实,相位控制在装置中是可以实现的,装置比控制的光线波长还要小。虽然搭建光相控阵天线是可行的,在控制严密的实验室环境下,我们可以在常态环境中就可以做到;但是并不容易。如果想改变每一个阵列单元光束的相位和振幅,现在还无法做到。

中国粉体网讯  最近,研究人员已经证实,相位控制在装置中是可以实现的,装置比控制的光线波长还要小。虽然搭建光相控阵天线是可行的,在控制严密的实验室环境下,我们可以在常态环境中就可以做到;但是并不容易。如果想改变每一个阵列单元光束的相位和振幅,现在还无法做到。


改变光场的相位是相当容易的事,只需要让光跑远一点抵达目的地或者跑慢一点就行了。如果有什么装置可以控制光相位的变化,装置必须很长:如果折射率的变化幅度很小,你只能延长距离让相位改变。在整个长度上必须保持统一。


有一个方法更好:大幅调整折射率。为了达到目标,光需要对电子形成强有力的反应。也就是说我们要用到导体,比如铝或者金。可惜的是光穿过金属时会反射,或者被吸收。


只有一种情况例外,那就是光与金属中的电子结合,形成表面等离子体。在这种情况下,光与电子运动结合在一起,形成缓慢移动的波,它会沿着金属表面前进。


石墨烯就是单层碳原子排成蜂窝结构。因为存在上述挑战,石墨烯可以发挥作用。石墨烯是导体,可以支持表面等离子体传播。不过石墨烯并不是金属,它实际上是一种半导体,像硅一样。石墨烯与硅有一个不同的地方,那就是自由移动的电子与受到原子限制的电子之间的能隙;石墨烯的能隙基本上等于零,而硅约为1伏特。



当我们将电场应用于石墨烯,额外能量会让更多的电子变成导电状态,这样就可以提高等离子体的移动速度。


要让效果完全发挥出来,石墨烯不能受到外部世界的打扰。如果你只是在任意旧表面上覆盖一层石墨烯,表面等离子体会幅射到表面内,然后逃离出去。这样一来,你想调节相位,但是找不到可以调节的东西。研究的关键正在于此:科学家找到了一种惰性基片(氮化硼),我们可以用基片将石墨烯封装。成功将石墨烯装进氮化硼后,研究人员就可以生成表面等离子体,在移相装置的整个长度上传输时损耗很小。


最终结果显示,装置的长度约为600nm,但是折射率介于80-160,允许入射光场移动一个完全的周期(也就是相位调整360度)。


因为装置的“心脏”是石墨烯,光必须拥有更长的波长才能形成等离子体,所以我们这里说的是红外光,不是可见光。自由空间中的光波波长比整个移相装置长10倍,真是酷极了。


你可能会感到奇怪,既然装置连一个波长都不到,你如何完成360度相位转移呢?答案是这样的:装置中的波长是等离子体的波长,而等离子体的波长更短,所以你可以将多个波长放进移相器。因为折射率接近100,波长也就会减少100。这样一来,整个装置的长度就会比等离子体的有效波长长很多。


这是一个关键的进步,我们朝着没有光纤的高容量光通信技术前进了一大步。有了这种技术,5G之后的移动通信、家庭Wi-Fi不会再卡了。


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