Graphene, an atom thick two dimensional sheet of carbons, has drawn great attention for its outstanding mechanical, thermal, and electronic propreties. As much of its other exotic properties, graphene shows exceptional amount of light-matter interaction that can be controlled efficiently. The control of the light-matter interaction in graphene-based devices was achieved by two major means; dynamic control of optical conductivity with Fermi level shifting and static manipulation of resonance with graphene plasmons or meta-atom hybridisation. Although nonlinear light-matter interaction of graphene under intense optical fields has even been applied for laser mode-locking in the optical frequencies, its experimental demonstration has only been recently achieved in the terahertz frequencies. Here we show the first experimental demonstrations of extrinsic control over the light-matter interaction of graphene under intense terahertz field. The induced transparencies of graphene under intense terahertz field can be controlled by tuning the factors that affect momentum scattering in graphene; changing number of carriers through Fermi level shifting, and altering terahertz field enhancement by resonance manipulation. This scheme of control over light matter interaction with graphene would open the early steps toward utilisation of controllable nonlinear optical behaviour.
전자기파와 물질의 상호작용은 대부분의 경우, 입사 전자기파의 전기장으로 유도되는 매질의 편극(polarization) 에 의해 기술되는데, 입사 전자기파의 전기장이 핵 간의 전기장( interatomic electric field) 만큼 충분히 클 경우에만 (~10$^5$- 10$^8$ V/m) 비선형성이 발현된다. 따라서 충분히 강한 전자기파가 물질에 입사하지 않을 경우 비선형성의 발현은 무시될 수 있을 정도로 작다. 과거 테라헤르츠 대역에서 비선형성에 대한 연구가 많지 않았던 것은 비선형성 발현될 만큼 강한 테라헤르츠 대역 광원의 개발과 이의 이용이 쉽지 않았기 때문이다. 따라서 테라헤르츠 대역에서 비선형 광학은 아직도 상당 부분 미지의 영역으로 남아 있으며, 차후 테라헤르츠 대역 비선형광학은 고출력의 테라헤르츠 광원 발달과 함께할 것으로 예상한다. 그러나, 비단
광원 개발 뿐만이 아니라, 비선형성이 큰 물질을 개발하는 것도 가능하다.
비선형 광학 특성은 최근 그래핀으로 확대되었다. 육각격자모양의 탄소동소체인 그래핀은 기계적, 전자적으로 우수한 특성 때문에 많은 각광을 받고 있다. 이 때문에 그래핀과 빛의 상호작용을 제어하는 연구가 그 동안 많이 진행되어 왔다. 그래핀- 빛의 상호작용은 주로, 전기적, 화학적 방법으로 페르미 준위를 조절하거나, 금속 패턴과의 결합 또는 그래핀을 패턴화하여 상호작용의 공진을 조절하여 이루어졌다. 그러나, 이 연구들은 비선형 현상이 나타나지 않는 영역에서 주로 이루어져 왔었다. 본 연구에서는 강한 테라헤르츠파에 의한
그래핀과 빛의 상호작용에 대해 연구하였다. 강한 테라헤르츠파가 그래핀에 입사될 경우 포화흡수 현상이 발생한다. 포화흡수 현상은 강한 빛이 입사될 경우 약한 빛이 입사될 때에 비해 빛의 흡수도가 줄어드는 현상이다. 본 연구에서는 테라헤르츠 영역에서 그래핀의 포화흡수는 전기적인 게이트에 의해 제어가 가능하다는 것을 보였다. 그래핀의 페르미 에너지가 전하중립점( Charge Neutral Point, CNP) 에 가까워질 경우 포화흡수가 적게 일어나는 것을 확인하였다. 또한 테라파 영역에서의 포화흡수는 운동량산란의 증가로 인해 그래핀의 전도도가 낮아지면서 발생하며, 페르미 준위가 바뀔경우 운동량산란이 가능한 확률이 바뀌어 포화흡수가 바뀐다는 것을 확인하였다.
포화흡수는 또한 메타원자화의 결합을 통해서 설계가 가능하다. 메타원자의 공진 유무에 따라 포화흡수의 양을 조절할 수 있으며, 심지어는 투과도의 증가가 아닌, 감소하게 만들 수도 있다는 것을 밝혔다. 메타원자와 결합된 그래핀 소자를 전기적으로 제어할 경우 그 양을 포화흡수를 설계하고 동시에 전기적으로 제어하는 것이 가능하다. 단, 강한 테라파 광원은 그래핀의 전도도를 저하시키면서, 전기적으로 제어되는 범위를 낮추는 현상이 생긴다.
본 논문에서는 강한 테라헤르츠파와 그래핀의 상호작용을 제어하는 방법에 대해 연구하였다. 상호작용의 제어는 전기적인 방법에 의한 그래핀의 페르미 준위 조절, 그리고 메타원자의 기하학적 변수를 조절하여 가능하다는 것이 밝혀졌다. 이렇게 연구된 강한 테라파와 그래핀의 상호작용은 테라헤르츠 영역에서 비선형광학적 성질을 활용하는 기여할 것으로 기대된다.
