Grafen - ett ultratunt material som består av ett enda lager av sammanlänkade kolatomer - anses vara en lovande kandidat för framtidens nanoelektronik. I teorin, den ska tillåta klockfrekvenser upp till tusen gånger snabbare än dagens kiselbaserade elektronik. Forskare från Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och University of Duisburg-Essen (UDE), i samarbete med Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), har nu för första gången visat att grafen faktiskt kan omvandla elektroniska signaler med frekvenser i gigahertzområdet – som motsvarar dagens klockfrekvenser – extremt effektivt till signaler med flera gånger högre frekvens. Forskarna presenterar sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Dagens kiselbaserade elektroniska komponenter arbetar med klockfrekvenser på flera hundra gigahertz (GHz), det är, de växlar flera miljarder gånger per sekund. Elektronikindustrin försöker för närvarande komma åt terahertz (THz) intervallet, dvs. upp till tusen gånger snabbare klockfrekvenser. Ett lovande material och potentiell efterföljare till kisel kan vara grafen, som har en hög elektrisk ledningsförmåga och är kompatibel med all befintlig elektronisk teknologi. Särskilt, teorin har länge förutspått att grafen kan vara ett mycket effektivt "icke-linjärt" elektroniskt material, dvs. ett material som mycket effektivt kan omvandla ett applicerat oscillerande elektromagnetiskt fält till fält med mycket högre frekvens. Dock, alla experimentella försök att bevisa denna effekt i grafen under de senaste tio åren har inte varit framgångsrika.

"Vi har nu kunnat tillhandahålla det första direkta beviset på frekvensmultiplikation från gigahertz till terahertz i ett grafenmonolager och att generera elektroniska signaler i terahertzområdet med anmärkningsvärd effektivitet, " förklarar Dr. Michael Gensch, vars grupp bedriver forskning om ultrasnabb fysik och driver den nya strålkällan TELBE terahertz vid HZDR. Och inte bara det – deras samarbetspartner ledda av prof. Dmitrij Turchinovich, experimentell fysiker vid universitetet i Duisburg-Essen (UDE), har lyckats beskriva mätningarna kvantitativt väl med hjälp av en enkel modell baserad på grundläggande fysikaliska principer för termodynamiken.

Med detta genombrott, forskarna banar väg för ultrasnabb grafenbaserad nanoelektronik:"Vi kunde inte bara experimentellt demonstrera en länge förutspådd effekt i grafen för första gången, men också att förstå det kvantitativt väl på samma gång, " betonar Prof. Dmitry Turchinovich. "I mitt laboratorium har vi undersökt de grundläggande fysiska mekanismerna för den elektroniska olinjäriteten hos grafen redan i flera år. Dock, våra ljuskällor var inte tillräckliga för att faktiskt detektera och kvantifiera frekvensmultiplikationen rent och tydligt. För detta, vi behövde experimentell kapacitet som för närvarande bara är tillgänglig på TELBE-anläggningen."

Det efterlängtade experimentella beviset på extremt effektiv generering av terahertz höga övertoner i grafen har lyckats med hjälp av ett trick:Forskarna använde grafen som innehåller många fria elektroner, som kommer från interaktionen av grafen med substratet på vilket det är avsatt, såväl som med den omgivande luften. Om dessa mobila elektroner exciteras av ett oscillerande elektriskt fält, de delar sin energi mycket snabbt med de andra elektronerna i grafen, som sedan reagerar ungefär som en uppvärmd vätska:Från en elektronisk "vätska", bildligt talat, en elektronisk "ånga" bildas i grafenet. Förändringen från "vätskefasen" till "ångfas" sker inom biljondelar av en sekund och orsakar särskilt snabba och kraftiga förändringar i grafens konduktivitet. Detta är nyckeleffekten som leder till effektiv frekvensmultiplikation.

Forskarna använde elektromagnetiska pulser från TELBE-anläggningen med frekvenser mellan 300 och 680 gigahertz och omvandlade dem i grafen till elektromagnetiska pulser med tre, fem och sju gånger den initiala frekvensen, d.v.s. uppkonverterade dem till terahertz-frekvensområdet. "De olinjära koefficienterna som beskriver effektiviteten av genereringen av denna tredje, femte och sjunde övertonsfrekvensen var exceptionellt höga, " förklarar Turchinovich. "Grafen är alltså möjligen det elektroniska materialet med den starkaste olinjäriteten som hittills känts. Den goda överensstämmelsen mellan de uppmätta värdena och vår termodynamiska modell tyder på att vi också kommer att kunna använda den för att förutsäga egenskaperna hos ultrahöghastighets nanoelektroniska enheter gjorda av grafen." Prof. Mischa Bonn, Direktör för MPI-P, som också var involverad i detta arbete, betonar:"Vår upptäckt är banbrytande. Vi har visat att kolbaserad elektronik kan fungera extremt effektivt i ultrasnabba hastigheter. Ultrasnabba hybridkomponenter gjorda av grafen och traditionella halvledare är också tänkbara."

Experimentet utfördes med hjälp av romanen, supraledande accelerator-baserad TELBE terahertz strålningskälla vid ELBE Center for High-Power Radiation Sources vid HZDR. Dess hundra gånger högre pulsfrekvens jämfört med typiska laserbaserade terahertzkällor gjorde den mätnoggrannhet som krävdes för undersökningen av grafen möjlig i första hand. En databehandlingsmetod utvecklad som en del av EU-projektet EUCALL gör det möjligt för forskarna att faktiskt använda mätdata som tagits med var och en av de 100, 000 ljuspulser per sekund. "För oss finns det inga dåliga uppgifter, " säger Gensch. "Eftersom vi kan mäta varenda puls, vi får storleksordningar i mätnoggrannhet. När det gäller mätteknik, vi är vid gränsen för vad som för närvarande är möjligt." De första författarna till artikeln är de två unga forskarna Hassan A. Hafez (UDE/MPI-P) och Sergey Kovalev (HZDR).