Hogere frequenties betekenen snellere gegevensoverdracht en krachtigere processors - de formule die de IT-industrie al jaren aanstuurt. Technisch gezien, echter, het is allesbehalve eenvoudig om kloksnelheden en radiofrequenties te blijven verhogen. Nieuwe materialen kunnen het probleem oplossen. Experimenten in Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben nu een veelbelovend resultaat opgeleverd:een internationaal team van onderzoekers was in staat om een ​​nieuw materiaal te krijgen om de frequentie van een terahertz-stralingsflits met een factor zeven te verhogen:een eerste stap voor potentiële IT-toepassingen, zoals de groep rapporteert in het journaal Natuurcommunicatie .

Wanneer smartphones gegevens ontvangen en computerchips berekeningen uitvoeren, bij dergelijke processen is altijd sprake van wisselende elektrische velden die elektronen op duidelijk gedefinieerde paden sturen. Hogere veldfrequenties zorgen ervoor dat elektronen hun werk sneller kunnen doen, waardoor hogere gegevensoverdrachtsnelheden en hogere processorsnelheden mogelijk zijn. Het huidige plafond is het terahertz-bereik, daarom willen onderzoekers over de hele wereld graag begrijpen hoe terahertz-velden interageren met nieuwe materialen. "Onze TELBE terahertz-faciliteit bij HZDR is een uitstekende bron voor het in detail bestuderen van deze interacties en het identificeren van veelbelovende materialen, " zegt Jan-Christoph Deinert van HZDR's Institute of Radiation Physics. "Een mogelijke kandidaat is cadmiumarsenide, bijvoorbeeld."

De natuurkundige heeft deze verbinding samen met onderzoekers uit Dresden bestudeerd, Keulen, en Sjanghai. Cadmiumarsenide (Cd ₃ Als ₂ ) behoort tot de groep van zogenaamde driedimensionale Dirac-materialen, waarin elektronen zeer snel en efficiënt kunnen interageren, zowel met elkaar als met snel oscillerende elektrische wisselvelden. "We waren vooral geïnteresseerd in de vraag of het cadmiumarsenide ook terahertz-straling afgeeft bij nieuwe, hogere frequenties, " legt TELBE beamline-wetenschapper Sergey Kovalev uit. "We hebben dit al zeer succesvol waargenomen in grafeen, een tweedimensionaal Dirac-materiaal." De onderzoekers vermoedden dat de driedimensionale elektronische structuur van cadmiumarsenide zou helpen bij het bereiken van een hoog rendement bij deze conversie.

Om dit te testen, de experts gebruikten een speciaal proces om ultradunne zeer zuivere bloedplaatjes te produceren uit cadmiumarsenide, die ze vervolgens onderwierpen aan terahertz-pulsen van de TELBE-faciliteit. Detectoren achter de rug van de bloedplaatjes registreerden hoe het cadmiumarsenide reageerde op de stralingspulsen. Het resultaat:"We waren in staat om aan te tonen dat cadmiumarsenide werkt als een zeer effectieve frequentievermenigvuldiger en zijn efficiëntie niet verliest, zelfs niet onder de zeer sterke terahertz-pulsen die bij TELBE kunnen worden gegenereerd, " meldt voormalig HZDR-onderzoeker Zhe Wang, die nu aan de universiteit van Keulen werkt. Het experiment was het eerste dat ooit het fenomeen van terahertz-frequentievermenigvuldiging tot de zevende harmonische in deze nog jonge klasse van materialen aantoonde.

Elektronen dansen op hun eigen beat

Naast het experimentele bewijs, het team samen met onderzoekers van het Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems gaf ook een gedetailleerde theoretische beschrijving van wat er gebeurde:de terahertz-pulsen die het cadmiumarsenide raken, genereren een sterk elektrisch veld. "Dit veld versnelt de vrije elektronen in het materiaal, "Deinert beschrijft. "Stel je een enorm aantal kleine stalen pellets voor die rondrollen op een plaat die heel snel heen en weer wordt gekanteld."

De elektronen in het cadmiumarsenide reageren op deze versnelling door elektromagnetische straling uit te zenden. Het cruciale is dat ze niet precies het ritme van het terahertz-veld volgen, maar oscilleren op nogal gecompliceerde paden, wat een gevolg is van de ongebruikelijke elektronische structuur van het materiaal. Als resultaat, de elektronen zenden nieuwe terahertz-pulsen uit met oneven gehele veelvouden van de oorspronkelijke frequentie - een niet-lineair effect vergelijkbaar met een piano:wanneer u op de A-toets op het toetsenbord drukt, het instrument laat niet alleen de door u gespeelde toets klinken, maar ook een rijk spectrum aan boventonen, de harmonischen.

Voor een post 5G-wereld

Het fenomeen is veelbelovend voor tal van toekomstige toepassingen, bijvoorbeeld in draadloze communicatie, die tendensen naar steeds hogere radiofrequenties die veel meer gegevens kunnen verzenden dan de conventionele kanalen van vandaag. De industrie rolt momenteel de 5G-standaard uit. Componenten gemaakt van Dirac-materialen zouden ooit nog hogere frequenties kunnen gebruiken - en dus een nog grotere bandbreedte mogelijk maken dan 5G. De nieuwe klasse van materialen lijkt ook interessant te zijn voor toekomstige computers, zoals op Dirac gebaseerde componenten, in theorie, hogere kloksnelheden mogelijk maken dan de huidige op silicium gebaseerde technologieën.

Maar eerst, de fundamentele wetenschap erachter vereist verdere studie. "Ons onderzoeksresultaat was slechts de eerste stap, " benadrukt Zhe Wang. "Voordat we concrete toepassingen kunnen bedenken, we moeten de efficiëntie van de nieuwe materialen verhogen." de experts willen weten hoe goed ze frequentievermenigvuldiging kunnen beheersen door een elektrische stroom aan te leggen. En ze willen hun monsters dopen, d.w.z. ze verrijken met vreemde atomen, in de hoop de niet-lineaire frequentieconversie te optimaliseren.