Högre frekvenser innebär snabbare dataöverföring och kraftfullare processorer - formeln som har drivit IT -branschen i åratal. Tekniskt, dock, det är allt annat än lätt att fortsätta öka klockfrekvensen och radiofrekvenserna. Nya material kan lösa problemet. Experiment vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu gett ett lovande resultat:Ett internationellt team av forskare kunde få ett nytt material för att öka frekvensen av en terahertz-strålningsblixt med en faktor sju:ett första steg för potential IT -applikationer, som gruppen rapporterar i tidskriften Naturkommunikation .

När smartphones tar emot data och datorchips utför beräkningar, sådana processer involverar alltid alternerande elektriska fält som skickar elektroner på klart definierade vägar. Högre fältfrekvenser innebär att elektroner kan göra sitt jobb snabbare, möjliggör högre dataöverföringshastigheter och högre processorhastigheter. Det nuvarande taket är terahertz -serien, det är därför forskare över hela världen är angelägna om att förstå hur terahertz -fält interagerar med nya material. "Vår TELBE terahertz -anläggning vid HZDR är en enastående källa för att studera dessa interaktioner i detalj och identifiera lovande material, "säger Jan-Christoph Deinert från HZDR:s institut för strålningsfysik." En möjlig kandidat är kadmiumarsenid, till exempel."

Fysikern har studerat denna förening tillsammans med forskare från Dresden, Köln, och Shanghai. Kadmiumarsenid (Cd ₃ Som ₂ ) tillhör gruppen så kallade tredimensionella Dirac-material, där elektroner kan interagera mycket snabbt och effektivt, både med varandra och med snabbt oscillerande alternerande elektriska fält. "Vi var särskilt intresserade av om kadmiumarseniden också avger terahertzstrålning vid ny, högre frekvenser, "förklarar TELBE -strålningsforskaren Sergey Kovalev." Vi har redan observerat detta mycket framgångsrikt i grafen, ett tvådimensionellt Dirac-material. "Forskarna misstänkte att kadmiumarsenidens tredimensionella elektroniska struktur skulle hjälpa till att uppnå hög effektivitet i denna omvandling.

För att testa detta, experterna använde en speciell process för att producera ultratunna blodplättar med hög renhet från kadmiumarsenid, som de sedan utsattes för terahertz -pulser från TELBE -anläggningen. Detektorer bakom trombocytens baksida registrerade hur kadmiumarseniden reagerade på strålningspulserna. Resultatet:"Vi kunde visa att kadmiumarsenid fungerar som en mycket effektiv frekvensmultiplikator och inte tappar sin effektivitet, inte ens under de mycket starka terahertz -pulser som kan genereras på TELBE, "rapporterar den tidigare HZDR -forskaren Zhe Wang, som nu arbetar vid universitetet i Köln. Experimentet var det första någonsin som visade fenomenet terahertz -frekvensmultiplikation upp till den sjunde övertonen i denna fortfarande unga materialklass.

Elektroner dansar i sin egen takt

Förutom de experimentella bevisen, teamet tillsammans med forskare bildar Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems gav också en detaljerad teoretisk beskrivning av vad som hände:Terahertz -pulserna som träffade kadmiumarseniden genererar ett starkt elektriskt fält. "Detta fält accelererar de fria elektronerna i materialet, "Deinert beskriver." Tänk dig ett stort antal små stålpellets som rullar runt på en tallrik som tippas från sida till sida väldigt snabbt. "

Elektronerna i kadmiumarseniden reagerar på denna acceleration genom att avge elektromagnetisk strålning. Det avgörande är att de inte exakt följer rytmen i terahertzfältet, men svänga på ganska mer komplicerade vägar, vilket är en följd av materialets ovanliga elektroniska struktur. Som ett resultat, elektronerna avger nya terahertz-pulser vid udda heltalsmultiplar av originalfrekvensen-en icke-linjär effekt som liknar ett piano:När du trycker på A-tangenten på tangentbordet, instrumentet låter inte bara tangenten du spelade, men också ett rikt spektrum av övertoner, övertonerna.

För en post 5G-värld

Fenomenet lovar många framtida applikationer, till exempel inom trådlös kommunikation, som trender mot allt högre radiofrekvenser som kan överföra mycket mer data än dagens konventionella kanaler. Branschen lanserar för närvarande 5G -standarden. Komponenter av Dirac -material kan en dag använda ännu högre frekvenser - och därmed möjliggöra ännu större bandbredd än 5G. Den nya materialklassen verkar också vara av intresse för framtida datorer, eftersom Dirac-baserade komponenter kan, i teorin, underlätta högre klockfrekvenser än dagens kiselbaserade teknik.

Men först, grundvetenskapen bakom det kräver ytterligare studier. "Vårt forskningsresultat var bara det första steget, "betonar Zhe Wang." Innan vi kan tänka oss konkreta tillämpningar, vi måste öka effektiviteten hos de nya materialen. "För detta ändamål, experterna vill ta reda på hur väl de kan styra frekvensmultiplikation genom att applicera en elektrisk ström. Och de vill dopa sina prover, dvs berika dem med främmande atomer, i hopp om att optimera olinjär frekvenskonvertering.