Специалисты из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совместно с исследователями из Китая и ОАЭ предложили инновационные методы динамического контроля электромагнитного экранирования. В качестве основы для разработки были использованы пленки, изготовленные из двумерных материалов – максенов ( MXenes) для разработки адаптивной защиты электроники будущего. Данная работа, опубликованное в журнале Physical Review Materials, открывает новые возможности контроля связи 6G.
В преддверии перехода к технологиям связи шестого поколения (6G) терагерцовые (ТГц) технологии всё активнее применяются в медицине и системах безопасности. Это обуславливает появление новой формы загрязнения – электромагнитного «тумана» в терагерцовом диапазоне. Обычные способы защиты от излучения, заключающиеся в его полной блокировке, оказываются неэффективными для адаптивных систем, которым необходима возможность регулирования. Вместо непроницаемого барьера требуются «умные окна», способные изменять свои свойства по мере необходимости.
Ученые предложили инновационное решение: тонкие пленки, состоящие из максенов, способны изменять свои свойства защиты. Эта технология может найти применение в создании каналов связи, которые активируются по необходимости, в сетях нового поколения 6G, а также в разработке высокочувствительных сенсоров и адаптивных камуфляжных покрытий.
«Новое в данном исследовании – это смена подхода с пассивной защиты на активное управление ,— рассказывает Мария Бурданова, один из ведущих авторов исследования, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и ИОФ РАН.— Мы не только разработали действенный защитный барьер, но и создали систему, благодаря которой можно оперативно корректировать его характеристики, подстраивая материал под конкретные условия» .
Максены представляют собой класс двумерных материалов, характеризующихся высокой металлической проводимостью, легкостью и гибкостью. В ходе исследования применялся карбид титана (Ti₃C₂Tₓ), демонстрирующий способность к эффективному поглощению излучения терагерцового диапазона. При этом его оптические свойства не претерпели изменений. Физики предложили два подхода, дополняющих друг друга, для регулирования поглощения созданных пленок.
Первый метод, основанный на электрохимических принципах, напоминает технологию создания «умного стекла». Исследователи поместили пленку в прозрачную ячейку, заполненную ионной жидкостью. При подаче напряжения (до +2 Вольт) происходит перераспределение ионов, что приводит к существенному увеличению концентрации носителей заряда в материале. Это позволяет плавно изменять степень поглощения света, подобно тому, как регулируется затемнение в современных электрохромных окнах. Эффективность экранирования увеличивается более чем в полтора раза, достигая значения 40 000 дБ г⁻¹ см², что в восемь раз превышает показатель для графена. Это позволяет переводить материал из полупрозрачного состояния в режим максимальной защиты.
Второй способ позволяет осуществлять очень быстрое управление. Исследователи подвергали пленку воздействием ультракоротких фемтосекундных лазерных импульсов и выявили неожиданный эффект – отрицательную фотопроводимость.
«В большинстве полупроводников свет увеличивает проводимость. Но в металлических системах, таких как максены, оптическое возбуждение быстро «разогревает» электроны и кристаллическую решетку. Это приводит к увеличению рассеяния электронов и, как следствие, к снижению проводимости» , — поясняет Максим Пауков, соавтор работы и сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института.
Под воздействием света материал демонстрирует временное повышение своей прозрачности для терагерцового излучения. Этот эффект развивается в течение пикосекунд и является обратимым.
«Электрический контроль занимает несколько секунд из-за медленного перемещения ионов, в то время как оптический срабатывает практически мгновенно. Благодаря этому мы можем на короткий промежуток времени сделать непроницаемый экран доступным для передачи данных и немедленно восстановить его прежнее состояние» , — добавляет Максим Пауков.
Благодаря сочетанию неспешной, но точной электрической настройки и сверхскоростного оптического переключения, пленки Ti₃C₂Tₓ представляют собой оптимальную основу для разработки устройств, работающих в терагерцовом диапазоне.
«Мы показали, что максены — это не просто материал для создания фильмов, а многогранная система для контроля электромагнитного спектра в терагерцовой области частот , — заключает Мария Бурданова. — Это значительный прогресс в разработке перспективных терагерцовых устройств» .
В работе над исследованием также были задействованы ученые из Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Института физики твердого тела РАН, Сколтеха, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Столичного педагогического университета и Пекинской ключевой лаборатории метаматериалов и устройств (Китай), совместно с сотрудниками Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ).
Данная работа была осуществлена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках проекта №24-79-00143).
Научная статья: Экранирование электромагнитных помех в терагерцовом диапазоне с использованием MXenes, управляемое электрохимическими и оптическими методами; Владимир Старченко, Шуан Сун, Максим Пауков, Иван Казанцев, Арина Радивон, Михаил Миронов, Арам Мкртчян, Глеб Целиков, Дмитрий Якубовский, Алексей Шуплецов, Александр Чернов, Михаил Шашков, Александр Сюй, Геннадий Комадин, Кирилл Зайцев, Юрий ГЛадуш, Альберт Насибулин, Алексей Арсенин, Валентин Волков, Дмитрий Краснов, Ян Чжан и Мария Бурданова; Phys. Rev. Materials 2025, DOI: https://doi.org/10.1103/h6bh-nz1w
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ