Hur kan stora mängder data överföras eller bearbetas så snabbt som möjligt? En nyckel till detta kan vara grafen. Det ultratunna materialet är bara ett atomlager tjockt, och elektronerna den innehåller har mycket speciella egenskaper på grund av kvanteffekter. Den kan därför vara mycket väl lämpad för användning i högpresterande elektroniska komponenter. Fram till denna punkt, dock, det har saknats kunskap om hur man på lämpligt sätt kontrollerar vissa egenskaper hos grafen. En ny studie av ett team av forskare från Bielefeld och Berlin, tillsammans med forskare från andra forskningsinstitut i Tyskland och Spanien, håller på att ändra detta. Teamets resultat har publicerats i tidskriften Vetenskapens framsteg .

Består av kolatomer, grafen är ett material bara en atom tjockt där atomerna är ordnade i ett hexagonalt gitter. Detta arrangemang av atomer är det som resulterar i grafens unika egenskap:elektronerna i detta material rör sig som om de inte hade massa. Detta "masslösa" beteende hos elektroner leder till mycket hög elektrisk ledningsförmåga i grafen och, viktigt, denna egenskap bibehålls vid rumstemperatur och under omgivande förhållanden. Grafen är därför potentiellt mycket intressant för moderna elektroniktillämpningar.

Det upptäcktes nyligen att dess elektroners höga elektroniska konduktivitet och "masslösa" beteende tillåter grafen att ändra frekvenskomponenterna för elektriska strömmar som passerar genom den. Denna egenskap är starkt beroende av hur stark denna ström är. I modern elektronik, en sådan olinjäritet innefattar en av de mest grundläggande funktionerna för omkoppling och bearbetning av elektriska signaler. Det som gör grafen unik är att dess olinjäritet är den överlägset starkaste av alla elektroniska material. Dessutom, det fungerar mycket bra för exceptionellt höga elektroniska frekvenser, sträcker sig till det tekniskt viktiga terahertz-området (THz) där de flesta konventionella elektroniska material misslyckas.

I deras nya studie, teamet av forskare från Tyskland och Spanien visade att grafens olinjäritet kan kontrolleras mycket effektivt genom att applicera jämförelsevis blygsamma elektriska spänningar på materialet. För detta, forskarna tillverkade en enhet som liknade en transistor, där en styrspänning kan appliceras på grafen via en uppsättning elektriska kontakter. Sedan, ultrahögfrekventa THz-signaler sändes med hjälp av enheten:överföringen och efterföljande transformation av dessa signaler analyserades sedan i förhållande till den pålagda spänningen. Forskarna fann att grafen blir nästan perfekt transparent vid en viss spänning - dess normalt starka olinjära svar nästan försvinner. Genom att öka eller sänka spänningen något från detta kritiska värde, grafen kan förvandlas till ett starkt olinjärt material, avsevärt förändra styrkan och frekvenskomponenterna för de sända och sända elektroniska THz-signalerna.

"Detta är ett viktigt steg framåt mot implementering av grafen i elektrisk signalbehandling och signalmoduleringsapplikationer, " säger prof. Dmitrij Turchinovich, en fysiker vid Bielefeld University och en av cheferna för denna studie. "Tidigare hade vi redan visat att grafen är det överlägset mest olinjära funktionella materialet vi känner till. Vi förstår också fysiken bakom olinjäritet, som nu är känd som termodynamisk bild av ultrasnabb elektrontransport i grafen. Men hittills visste vi inte hur vi skulle kontrollera denna olinjäritet, som var den felande länken när det gäller att använda grafen i vardagliga teknologier."

"Genom att applicera styrspänningen på grafen, vi kunde ändra antalet elektroner i materialet som kan röra sig fritt när den elektriska signalen appliceras på det, " förklarar Dr Hassan A. Hafez, en medlem av professor Dr. Turchinovichs labb i Bielefeld, och en av huvudförfattarna till studien. "Å ena sidan, ju fler elektroner kan röra sig som svar på det pålagda elektriska fältet, ju starkare strömmar, vilket borde förstärka olinjäriteten. Men å andra sidan, ju fler fria elektroner är tillgängliga, ju starkare interaktionen mellan dem är, och detta undertrycker olinjäriteten. Här visade vi – både experimentellt och teoretiskt – att genom att applicera en relativt svag extern spänning på bara några få volt, de optimala förhållandena för den starkaste THz-icke-eariteten i grafen kan skapas."

"Med detta arbete, vi har nått en viktig milstolpe på vägen mot att använda grafen som ett extremt effektivt icke-linjärt funktionellt kvantmaterial i enheter som THz-frekvensomvandlare, blandare, och modulatorer, " säger professor Dr. Michael Gensch från Institute of Optical Sensor Systems vid German Aerospace Center (DLR) och Technical University of Berlin, vem är den andra chefen för denna studie. "Detta är extremt relevant eftersom grafen är perfekt kompatibel med befintlig elektronisk ultrahögfrekvent halvledarteknologi som CMOS eller Bi-CMOS. Det är därför nu möjligt att föreställa sig hybridenheter där den initiala elektriska signalen genereras vid lägre frekvens med hjälp av befintlig halvledarteknik men kan sedan mycket effektivt uppkonverteras till mycket högre THz-frekvenser i grafen, allt på ett fullt kontrollerbart och förutsägbart sätt."

Forskare från Bielefeld University, Institutet för optiska sensorsystem vid DLR, tekniska universitetet i Berlin, Helmholtz Center Dresden-Rossendorf, och Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, samt Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) och Institute of Photonic Sciences (ICFO) i Spanien deltog i denna studie.