Graphene umožňuje dávky v terahertzovém rozsahu

The Internet of Things by James Whittaker of Microsoft (Smět 2019).

Anonim

Grafen - ultratenký materiál sestávající z jedné vrstvy propojených uhlíkových atomů - je považován za slibného kandidáta na nanoelektroniku budoucnosti. Teoreticky by měla umožnit hodinové sazby až tisíckrát rychleji, než je dnešní elektronika na bázi křemíku. Vědci z Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a University of Duisburg-Essen (UDE) ve spolupráci s Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) poprvé ukázali, že grafen může skutečně převést elektronické signály s frekvencemi v rozmezí gigahertzů - které odpovídají dnešním hodinovým kmitočtům - velmi efektivně do signálů s několikanásobně vyšší frekvencí. Vědci prezentují své výsledky ve vědeckém časopise Nature.

Dnešní elektronické komponenty na bázi křemíku pracují s frekvencemi několika stovek gigahertzů (GHz), tj. Přepínají několik miliard za sekundu. Elektronický průmysl se momentálně pokouší dostat se do terahertzového (THz) rozsahu, tj. Až tisíckrát rychlejších hodinových rychlostí. Slibným materiálem a potenciálním nástupcem křemíku může být grafen, který má vysokou elektrickou vodivost a je kompatibilní se všemi existujícími elektronickými technologiemi. Zejména teorie dlouho předpokládá, že grafen může být velmi účinným "nelineárním" elektronickým materiálem, tj. Materiálem, který může velmi efektivně přeměnit aplikované oscilační elektromagnetické pole na pole s mnohem vyšší frekvencí. Všechny experimentální snahy o prokázání tohoto účinku v grafenu za posledních deset let však nebyly úspěšné.

"Dnes jsme byli schopni poskytnout první přímý důkaz množení kmitočtů od gigahertzů až po terahertz v grafénové monovrstvě a generovat elektronické signály v terahertzovém rozsahu s pozoruhodnou účinností, " vysvětluje Dr. Michael Gensch, jehož skupina vede výzkum ultrafialové fyziky a provozuje nový zdroj záření TELBE terahertz na HZDR. A nejen to, že jejich spolupracovníci vedli prof. Dmitrij Turchinovič, experimentální fyzik na univerzitě v Duisburgu v Essenu (UDE), se podařilo velmi dobře kvantitativně popisovat měření pomocí jednoduchého modelu založeného na základních fyzikálních principech termodynamiky.

S tímto průlomem výzkumníci připravují cestu pro ultrarychlou nanoelektroniku založenou na grafenu: "Byli jsme nejen schopni poprvé experimentálně demonstrovat dlouho očekávaný efekt v grafenu, ale také kvantitativně dobře pochopit současně, "zdůrazňuje profesor Dmitrij Turchinovič. "V naší laboratoři už několik let zkoumáme základní fyzikální mechanizmy elektronické nelinearity grafenu, ale naše zdroje světla nestačily k tomu, abychom skutečně detekovali a kvantifikovali čisté a jasné množení kmitočtů, a proto jsme potřebovali experimentální schopnosti které jsou v současné době k dispozici pouze v zařízení TELBE. "

Dlouho očekávaný experimentální důkaz extrémně efektivní terahertzové generace vysokých harmonických v grafenu uspěl s pomocí triku: Výzkumníci použili grafen, který obsahuje mnoho volných elektronů, které pocházejí z interakce grafenu se substrátem, na kterém je uložen, stejně jako okolního vzduchu. Jsou-li tyto mobilní elektrony vzrušeny oscilačním elektrickým polem, sdílejí svou energii velmi rychle s ostatními elektrony v grafenu, které pak reagují spíše jako ohřívaná tekutina. Z elektronické "tekutiny", jakoby obrazně řečeno, vzniká elektronická "pára" v rámci grafenu. Změna z fáze "kapalina" na "pára" se objevuje v průběhu triliónů sekundy a způsobuje obzvláště rychlé a silné změny v vodivosti grafenu. To je klíčový efekt vedoucí k efektivnímu množení kmitočtu.

Vědci použili elektromagnetické impulsy z zařízení TELBE s frekvencemi mezi 300 a 680 gigahertz a přeměnili je v grafenu na elektromagnetické impulsy se třemi, pěti a sedmi násobky počáteční frekvence, tj. Převedly je do frekvenčního rozsahu terahertz. "Nelineární koeficienty popisující účinnost generování této třetí, páté a sedmé harmonické frekvence byly výjimečně vysoké, " vysvětluje Turchinovič. "Grafen je tedy pravděpodobně elektronickým materiálem s nejsilnějším nelinearitou, která je dnes známa. Dobrá shoda naměřených hodnot s termodynamickým modelem naznačuje, že budeme schopni jej použít i pro předpovědi vlastností ultratenkých nanoelektronických zařízení vyrobených z grafenu. " Profesor Mischa Bonn, ředitel MPI-P, který byl také zapojen do této práce, zdůrazňuje: "Náš objev je průkopnický. Ukázali jsme, že elektronika na bázi uhlíku může pracovat extrémně efektivně při velmi rychlých rychlostech. a tradiční polovodiče jsou také myslitelné. "

Experiment byl proveden s využitím nového zdroje TELBE terahertzového záření založeného na supravodivém akcelerátoru v centru ELBE pro vysokonapěťové zdroje záření na HZDR. Jeho stokrát vyšší pulz v porovnání s typickými terahertzovými zdroji na bázi laseru dělal v první řadě přesnost měření potřebnou pro zkoumání grafenu. Metoda zpracování dat vyvinutá jako součást projektu EUCALL EU umožňuje výzkumníkům skutečně využívat měřená data pořízená každým ze 100 000 světelných impulzů za sekundu. "Pro nás nejsou žádné špatné údaje, " říká Gensch. "Vzhledem k tomu, že můžeme měřit každý puls, získáváme řádově přesnost měření. Pokud jde o měřicí technologii, jsme na hranici toho, co je v současné době možné." Prvním autorkou článku jsou dva mladí vědci Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) a Sergey Kovalev (HZDR).

menu
menu