Det nya materialet grafen möjliggör snabbare elektronik. Forskare vid fakulteten för elektroteknik och informationsteknologi vid Wiens tekniska universitet (TU Wien) utvecklade ljusdetektorer gjorda av grafen och analyserade deras häpnadsväckande egenskaper.

Stora förhoppningar finns på detta nya material:grafen, en bikakeliknande kolstruktur, gjord av endast ett lager av atomer, uppvisar anmärkningsvärda egenskaper. 2010, Nobelpriset delades ut för upptäckten av grafen och dess beteende. Vid fotonikinstitutet vid TU Wien, de elektroniska och optiska egenskaperna hos grafen är i fokus. Wiens forskare kunde nu visa hur anmärkningsvärt snabbt grafen omvandlar ljuspulser till elektriska signaler. Detta kan avsevärt förbättra datumutbytet mellan datorer.

Konvertera ljus till elektriska signaler

När data överförs med ljuspulser (till exempel i fiberoptiska kablar) måste pulserna omvandlas tillbaka till elektriska signaler, som kan bearbetas av en dator. Denna omvandling av ljus till elektrisk ström är möjlig på grund av den fotoelektriska effekten, som ursprungligen förklarades av Albert Einstein. I vissa material, ljus kan få elektroner att lämna sina positioner och färdas fritt genom materialet, varvid elektrisk ström uppstår. ”Ljusdetektorer som omvandlar ljus till elektroniska signaler har funnits länge. Men när de är gjorda av grafen, de reagerar snabbare än de flesta andra material kunde” Alexander Urich förklarar. Han undersökte grafens optiska och elektroniska egenskaper tillsammans med Thomas Müller och professor Karl Unterrainer vid TU Wien.

Analys med ultrakorta laserpulser

Forskarna hade redan förra året visat att grafen kan omvandla ljus till elektroniska signaler med anmärkningsvärd hastighet. Dock, materialets reaktionstid gick inte att bestämma – den fotoelektriska effekten i grafen är så snabb att den helt enkelt inte kan mätas med de vanliga mätmetoderna. Men nu, sofistikerade tekniska knep skulle kunna kasta lite ljus över egenskaperna hos grafen. Vid TU Wien, laserpulser avfyrades mot grafenfotodetektorn i snabb följd, och den resulterande fotoströmmen mättes. Om tidsfördröjningen mellan laserpulserna ändras, detektorns maximala frekvens kan bestämmas. "Med den här metoden kunde vi visa att våra detektorer kan användas upp till en frekvens på 262 GHz", säger Thomas Müller (TU Wien). Detta motsvarar en teoretisk övre gräns för dataöverföring med grafenfotodetektorer på mer än 30 gigabyte per sekund. Det har ännu inte fastställts i vilken utsträckning detta är tekniskt genomförbart, men detta resultat visar tydligt den anmärkningsvärda förmågan hos grafen och dess potential för optoelektroniska tillämpningar.

Snabba signaler för snabb elektronik

Den främsta anledningen till att grafen-fotodetektorer kan arbeta vid så höga frekvenser är den korta livslängden för laddningsbärarna i grafen. Elektronerna som tas bort från sin fasta position och bidrar till den elektriska strömmen sätter sig i en annan fast position efter några pikosekunder (miljondelar av en miljarddels sekund, 10 ^-12 sekunder). Så fort detta händer, grafenfotodetektorn är redo för ännu en ljussignal som frigör nya elektroner, skapa nästa elektriska signal.

Den snabba reaktionstiden för grafen är ytterligare ett objekt på listan över anmärkningsvärda egenskaper hos detta material. I grafen, laddningsbärare kan resa extremt långt utan att bli störda. Den kan absorbera ljus i ett stort spektralområde, från infrarött till synligt ljus – till skillnad från vanliga halvledare, som bara kan absorbera en liten del av spektrumet. Dessutom, grafen kan leda värme extremt bra och har en exceptionellt hög brotthållfasthet.