Forskare från MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology), Moscow Pedagogical State University och University of Manchester har skapat en mycket känslig terahertz-detektor baserad på effekten av kvantmekanisk tunnelering i grafen. Enhetens känslighet är redan överlägsen kommersiellt tillgängliga analoger baserade på halvledare och superledare, som öppnar möjligheter för tillämpningar av grafendetektorn i trådlös kommunikation, säkerhetssystem, radioastronomi, och medicinsk diagnostik. Forskningsresultaten publiceras i Naturkommunikation .

Informationsöverföring i trådlösa nätverk bygger på omvandling av en högfrekvent kontinuerlig elektromagnetisk våg till en diskret sekvens av bitar. Denna teknik är känd som signalmodulation. För att överföra bitarna snabbare, man måste öka moduleringsfrekvensen. Dock, detta kräver synkron ökning av bärfrekvensen. En vanlig FM-radio sänder vid frekvenser på hundra megahertz, en Wi-Fi-mottagare använder signaler med ungefär fem gigahertz-frekvens, medan 5G -mobilnäten kan överföra upp till 20 gigahertz -signaler. Detta är långt ifrån gränsen, och ytterligare ökning av bärfrekvens medger en proportionell ökning av dataöverföringshastigheter. Tyvärr, att plocka upp signaler med hundra gigahertz -frekvenser och högre är ett allt mer utmanande problem.

En typisk mottagare som används i trådlös kommunikation består av en transistorbaserad förstärkare av svaga signaler och en demodulator som korrigerar sekvensen av bitar från den modulerade signalen. Detta system har sitt ursprung i radio- och tv -tidsåldern, och blir ineffektiv vid frekvenser på hundratals gigahertz som är önskvärda för mobila system. Faktum är att de flesta av de befintliga transistorerna inte är tillräckligt snabba för att ladda upp vid en så hög frekvens.

Ett evolutionärt sätt att lösa detta problem är bara att öka den maximala driftsfrekvensen för en transistor. De flesta specialister inom området nanoelektronik arbetar hårt i denna riktning. Ett revolutionerande sätt att lösa problemet föreslogs teoretiskt i början av 1990 -talet av fysikerna Michael Dyakonov och Michael Shur, och insåg, bland andra, av gruppen författare 2018. Det innebär att man överger aktiv förstärkning med transistor, och överge en separat demodulator. Det som återstår i kretsen är en enda transistor, men dess roll är nu annorlunda. Den omvandlar en modulerad signal till bitsekvens eller röstsignal av sig själv, på grund av icke-linjärt samband mellan dess ström och spänningsfall.

I det nuvarande arbetet, författarna har bevisat att detekteringen av en terahertz-signal är mycket effektiv i den så kallade tunnelfält-effekt-transistorn. För att förstå dess arbete, man kan bara komma ihåg principen för ett elektromekaniskt relä, där passagen av ström genom styrkontakter leder till en mekanisk anslutning mellan två ledare och, därav, till uppkomsten av ström. I en tunneltransistor, tillförsel av spänning till styrkontakten (kallad '' grind '') leder till inriktning av energinivåerna för källan och kanalen. Detta leder också till strömmen. Ett särdrag hos en tunneltransistor är dess mycket starka känslighet för styrspänning. Till och med en liten "avstämning" av energinivåer räcker för att avbryta den subtila processen med kvantmekanisk tunnelering. Liknande, en liten spänning vid styrporten kan "ansluta" nivåerna och initiera tunnelströmmen.

"Idén om stark reaktion av en tunneltransistor till lågspänning är känd i ungefär femton år, säger doktor Dmitry Svintsov , en av författarna till studien, chef för laboratoriet för optoelektronik av tvådimensionella material vid MIPT-centret för fotonik och 2-D-material. "Men det har bara varit känt inom gemenskapen med lågeffektelektronik. Ingen insåg före oss att samma egenskap hos en tunneltransistor kan tillämpas i tekniken för terahertz-detektorer. Georgy Alymov (medförfattare till studien) och jag hade tur att arbeta i båda områdena. Vi insåg då:om transistorn öppnas och stängs vid låg effekt av styrsignalen, då borde det också vara bra att ta upp svaga signaler från omgivningen. "

Den skapade enheten är baserad på tvålagers grafen, ett unikt material där energinivåernas position (mer strikt, bandstrukturen) kan styras med hjälp av en elektrisk spänning. Detta gjorde att författarna kunde växla mellan klassisk transport och kvanttunneltransport inom en enda enhet, med bara en ändring i polariteten hos spänningen vid kontrollkontakterna. Denna möjlighet är av yttersta vikt för en exakt jämförelse av detekteringsförmågan hos en klassisk och kvanttunneltransistor.

Experimentet visade att enhetens känslighet i tunnelläget är få storleksordningar högre än den i det klassiska transportläget. Minimisignalen som kan detekteras av detektorn mot den bullriga bakgrunden konkurrerar redan med den hos kommersiellt tillgängliga superledande och halvledarbolometrar. Dock, detta är inte gränsen - detektorns känslighet kan ökas ytterligare i "renare" enheter med en låg koncentration av kvarvarande föroreningar. Den utvecklade detektionsteorin, testat av experimentet, visar att känsligheten hos den optimala detektorn kan vara hundra gånger högre.

"De nuvarande egenskaperna ger upphov till stora förhoppningar om skapandet av snabba och känsliga detektorer för trådlös kommunikation, "säger författaren till verket, Dr Denis Bandurin. Och detta område är inte begränsat till grafen och är inte begränsat till tunneltransistorer. Vi förväntar oss att med samma framgång, en anmärkningsvärd detektor kan skapas, till exempel, baserat på en elektriskt kontrollerad fasövergång. Graphene visade sig bara vara en bra startskiva här, bara en dörr, bakom vilken ligger en hel värld av spännande ny forskning. "

Resultaten som presenteras i detta dokument är ett exempel på ett framgångsrikt samarbete mellan flera forskargrupper. Författarna noterar att det är detta arbetsform som gör att de kan få vetenskapliga resultat i världsklass. Till exempel, tidigare, samma team av forskare visade hur vågor i elektronhavet av grafen kan bidra till utvecklingen av terahertz -teknik. "I en tid med snabbt utvecklande teknik, det blir allt svårare att uppnå konkurrenskraftiga resultat, "kommenterar Dr Georgy Fedorov, biträdande chef för laboratoriet för nanokolmaterial, MIPT, "Endast genom att kombinera ansträngningar och expertis från flera grupper kan vi framgångsrikt utföra de svåraste uppgifterna och uppnå de mest ambitiösa målen, vilket vi kommer att fortsätta att göra. "