Wetenschappers van MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology), De Pedagogische Staatsuniversiteit van Moskou en de Universiteit van Manchester hebben een zeer gevoelige terahertz-detector gemaakt op basis van het effect van kwantummechanische tunneling in grafeen. De gevoeligheid van het apparaat is al superieur aan in de handel verkrijgbare analogen op basis van halfgeleiders en supergeleiders, wat perspectieven biedt voor toepassingen van de grafeendetector in draadloze communicatie, beveiligingssystemen, radioastronomie, en medische diagnostiek. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Informatieoverdracht in draadloze netwerken is gebaseerd op de transformatie van een hoogfrequente continue elektromagnetische golf in een discrete reeks bits. Deze techniek staat bekend als signaalmodulatie. Om de bits sneller over te zetten, men moet de modulatiefrequentie verhogen. Echter, dit vereist een synchrone toename van de draaggolffrequentie. Een gewone FM-radio zendt op frequenties van honderd megahertz, een wifi-ontvanger gebruikt signalen met een frequentie van ongeveer vijf gigahertz, terwijl de mobiele 5G-netwerken tot 20 gigahertz-signalen kunnen verzenden. Dit is verre van de limiet, en een verdere toename van de draaggolffrequentie maakt een evenredige toename van de gegevensoverdrachtsnelheden mogelijk. Helaas, het oppikken van signalen met frequenties van honderd gigahertz en hoger is een steeds uitdagender probleem.

Een typische ontvanger die in draadloze communicatie wordt gebruikt, bestaat uit een op transistors gebaseerde versterker van zwakke signalen en een demodulator die de reeks bits van het gemoduleerde signaal corrigeert. Deze regeling is ontstaan ​​in het tijdperk van radio en televisie, en wordt inefficiënt bij frequenties van honderden gigahertz die wenselijk zijn voor mobiele systemen. Feit is dat de meeste bestaande transistoren niet snel genoeg zijn om op zo'n hoge frequentie op te laden.

Een evolutionaire manier om dit probleem op te lossen, is door de maximale bedrijfsfrequentie van een transistor te verhogen. De meeste specialisten op het gebied van nano-elektronica werken hard in deze richting. Een revolutionaire manier om het probleem op te lossen werd in het begin van de jaren negentig theoretisch voorgesteld door natuurkundigen Michael Dyakonov en Michael Shur, en besefte, onder andere, door de groep auteurs in 2018. Het impliceert het afschaffen van actieve versterking door transistor, en het verlaten van een afzonderlijke demodulator. Wat overblijft in het circuit is een enkele transistor, maar zijn rol is nu anders. Het zet een gemoduleerd signaal zelf om in een bitreeks of spraaksignaal, vanwege de niet-lineaire relatie tussen de stroom- en spanningsval.

In het huidige werk, de auteurs hebben bewezen dat de detectie van een terahertz-signaal zeer efficiënt is in de zogenaamde tunneling-veldeffecttransistor. Om zijn werk te begrijpen, men kan zich het principe van een elektromechanisch relais herinneren, waarbij de doorgang van stroom door stuurcontacten leidt tot een mechanische verbinding tussen twee geleiders en, Vandaar, tot het ontstaan ​​van stroom. In een tunneltransistor, het toepassen van spanning op het stuurcontact (aangeduid als ''poort'') leidt tot afstemming van de energieniveaus van de bron en het kanaal. Dit leidt ook tot de stroom van de stroom. Een onderscheidend kenmerk van een tunneltransistor is zijn zeer sterke gevoeligheid voor stuurspanning. Zelfs een kleine "ontstemming" van energieniveaus is voldoende om het subtiele proces van kwantummechanische tunneling te onderbreken. evenzo, een kleine spanning op de stuurpoort is in staat om de niveaus te "verbinden" en de tunnelstroom te initiëren.

"Het idee van een sterke reactie van een tunneltransistor op lage spanningen is al ongeveer vijftien jaar bekend, " zegt Dr. Dmitry Svintsov , een van de auteurs van het onderzoek, hoofd van het laboratorium voor opto-elektronica van tweedimensionale materialen bij het MIPT-centrum voor fotonica en 2D-materialen. "Maar het is alleen bekend in de gemeenschap van elektronica met laag vermogen. Niemand realiseerde zich voor ons dat dezelfde eigenschap van een tunneling-transistor kan worden toegepast in de technologie van terahertz-detectoren. Georgy Alymov (co-auteur van het onderzoek) en ik hadden het geluk om in beide gebieden te werken.We realiseerden ons toen:als de transistor wordt geopend en gesloten bij een laag vermogen van het stuursignaal, dan zou het ook goed moeten zijn in het oppikken van zwakke signalen uit de omgeving. "

Het gemaakte apparaat is gebaseerd op dubbellaags grafeen, een uniek materiaal waarin de positie van energieniveaus (strikter, de bandstructuur) kan worden bestuurd met behulp van een elektrische spanning. Hierdoor konden de auteurs schakelen tussen klassiek transport en kwantumtunneling-transport binnen een enkel apparaat, met slechts een verandering van de polariteiten van de spanning op de stuurcontacten. Deze mogelijkheid is van extreem belang voor een nauwkeurige vergelijking van het detectievermogen van een klassieke en kwantumtunneling-transistor.

Het experiment toonde aan dat de gevoeligheid van het apparaat in de tunnelmodus enkele ordes van grootte hoger is dan die in de klassieke transportmodus. Het minimale signaal dat door de detector kan worden onderscheiden tegen de ruisende achtergrond concurreert al met dat van commercieel verkrijgbare supergeleidende en halfgeleiderbolometers. Echter, dit is niet de limiet - de gevoeligheid van de detector kan verder worden verhoogd in 'schonere' apparaten met een lage concentratie van resterende onzuiverheden. De ontwikkelde detectietheorie, getest door het experiment, laat zien dat de gevoeligheid van de optimale detector honderd keer hoger kan zijn.

"De huidige kenmerken geven aanleiding tot grote hoop voor de creatie van snelle en gevoelige detectoren voor draadloze communicatie, " zegt de auteur van het werk, Dr. Denis Bandurin. En dit gebied is niet beperkt tot grafeen en is niet beperkt tot tunneltransistors. Wij verwachten dat, met hetzelfde succes een opmerkelijke detector kan worden gemaakt, bijvoorbeeld, gebaseerd op een elektrisch gestuurde faseovergang. Grafeen bleek hier gewoon een goed lanceerplatform te zijn, gewoon een deur, waarachter een hele wereld van opwindend nieuw onderzoek schuilgaat."

De resultaten die in dit artikel worden gepresenteerd, zijn een voorbeeld van een succesvolle samenwerking tussen verschillende onderzoeksgroepen. De auteurs merken op dat het dit werkformaat is dat hen in staat stelt om wetenschappelijke resultaten van wereldklasse te verkrijgen. Bijvoorbeeld, eerder, hetzelfde team van wetenschappers demonstreerde hoe golven in de elektronenzee van grafeen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van terahertz-technologie. "In een tijdperk van snel evoluerende technologie, het wordt steeds moeilijker om concurrerende resultaten te behalen, " zegt Dr. Georgy Fedorov, plaatsvervangend hoofd van het laboratorium voor nanokoolstofmaterialen, MIPT, "Alleen door de inspanningen en expertise van verschillende groepen te combineren, kunnen we de moeilijkste taken en de meest ambitieuze doelen met succes realiseren, wat we zullen blijven doen."