Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Kvantetunnelering i grafen fremmer alderen for terahertz trådløs kommunikation

Kvantetunnelering. Kredit:Daria Sokol/MIPT

Forskere fra MIPT (Moscow Institute of Physics and Technology), Moscow Pedagogical State University og University of Manchester har skabt en meget følsom terahertz-detektor baseret på effekten af ​​kvantemekanisk tunneling i grafen. Enhedens følsomhed er allerede overlegen i forhold til kommercielt tilgængelige analoger baseret på halvledere og superledere, som åbner muligheder for anvendelser af grafendetektoren i trådløs kommunikation, sikkerhedssystemer, radio astronomi, og medicinsk diagnostik. Forskningsresultaterne er publiceret i Naturkommunikation .

Informationsoverførsel i trådløse netværk er baseret på transformation af en højfrekvent kontinuerlig elektromagnetisk bølge til en diskret sekvens af bits. Denne teknik er kendt som signalmodulation. For at overføre bits hurtigere, man skal øge modulationsfrekvensen. Imidlertid, dette kræver synkron stigning i bærefrekvensen. En almindelig FM-radio sender ved frekvenser på hundrede megahertz, en Wi-Fi-modtager bruger signaler med en frekvens på cirka fem gigahertz, mens 5G-mobilnetværkene kan transmittere op til 20 gigahertz-signaler. Dette er langt fra grænsen, og yderligere stigning i bærefrekvens tillader en proportional stigning i dataoverførselshastigheder. Desværre, at opfange signaler med hundrede gigahertz-frekvenser og højere er et stadig mere udfordrende problem.

En typisk modtager, der bruges i trådløs kommunikation, består af en transistor-baseret forstærker af svage signaler og en demodulator, der ensretter sekvensen af ​​bit fra det modulerede signal. Denne ordning opstod i radio- og tv-tiden, og bliver ineffektiv ved frekvenser på hundredvis af gigahertz, som er ønskelige for mobile systemer. Faktum er, at de fleste af de eksisterende transistorer ikke er hurtige nok til at genoplade ved så høj en frekvens.

En evolutionær måde at løse dette problem på er blot at øge den maksimale driftsfrekvens for en transistor. De fleste specialister inden for nanoelektronik arbejder hårdt i denne retning. En revolutionær måde at løse problemet på blev teoretisk foreslået i begyndelsen af ​​1990'erne af fysikerne Michael Dyakonov og Michael Shur, og indså, blandt andre, af gruppen af ​​forfattere i 2018. Det indebærer at opgive aktiv forstærkning med transistor, og at opgive en separat demodulator. Det, der er tilbage i kredsløbet, er en enkelt transistor, men dens rolle er nu en anden. Det omdanner et moduleret signal til bitsekvens eller stemmesignal af sig selv, på grund af ikke-lineær sammenhæng mellem dens strøm og spændingsfald.

I nærværende arbejde, forfatterne har bevist, at detektionen af ​​et terahertz-signal er meget effektiv i den såkaldte tunneling field-effect transistor. For at forstå dets arbejde, man kan bare huske princippet om et elektromekanisk relæ, hvor strømmens passage gennem styrekontakter fører til en mekanisk forbindelse mellem to ledere og, derfor, til fremkomsten af ​​strømmen. I en tunneltransistor, påføring af spænding til kontrolkontakten (kaldet ''gate'') fører til justering af energiniveauerne for kilden og kanalen. Dette fører også til strømmen. Et karakteristisk træk ved en tunneltransistor er dens meget stærke følsomhed over for styrespænding. Selv en lille "afstemning" af energiniveauer er nok til at afbryde den subtile proces med kvantemekanisk tunnelering. Tilsvarende en lille spænding ved kontrolporten er i stand til at "koble" niveauerne og igangsætte tunnelstrømmen.

"Ideen om en stærk reaktion af en tunneltransistor på lave spændinger har været kendt i omkring femten år, " siger Dr. Dmitry Svintsov , en af ​​forfatterne til undersøgelsen, leder af laboratoriet for optoelektronik af todimensionelle materialer ved MIPT-centeret for fotonik og 2-D materialer. "Men det har kun været kendt i samfundet med laveffektelektronik. Ingen var før os klar over, at den samme egenskab for en tunneltransistor kan anvendes i teknologien for terahertz-detektorer. Georgy Alymov (medforfatter til undersøgelsen) og jeg var heldige at arbejde i begge områder. Vi indså da:hvis transistoren åbnes og lukkes ved en lav effekt af styresignalet, så skulle den også være god til at opfange svage signaler fra omgivelserne. "

Den oprettede enhed er baseret på tolagsgrafen, et unikt materiale, hvor placeringen af ​​energiniveauer (mere strengt, båndstrukturen) kan styres ved hjælp af en elektrisk spænding. Dette gjorde det muligt for forfatterne at skifte mellem klassisk transport og kvantetunneltransport inden for en enkelt enhed, med blot en ændring i polariteterne af spændingen ved styrekontakterne. Denne mulighed er af ekstrem vigtighed for en nøjagtig sammenligning af detekteringsevnen af ​​en klassisk og kvantetunneltransistor.

Eksperimentet viste, at følsomheden af ​​enheden i tunneling-tilstand er få størrelsesordener højere end i den klassiske transport-tilstand. Minimumssignalet, der kan skelnes af detektoren mod den støjende baggrund, konkurrerer allerede med det fra kommercielt tilgængelige superledende og halvlederbolometre. Imidlertid, dette er ikke grænsen – detektorens følsomhed kan øges yderligere i 'renere' enheder med en lav koncentration af resterende urenheder. Den udviklede detektionsteori, testet af eksperimentet, viser, at følsomheden af ​​den optimale detektor kan være hundrede gange højere.

"De nuværende egenskaber giver anledning til store forhåbninger om skabelsen af ​​hurtige og følsomme detektorer til trådløs kommunikation, " siger forfatteren til værket, Dr. Denis Bandurin. Og dette område er ikke begrænset til grafen og er ikke begrænset til tunneltransistorer. Det forventer vi, med samme succes, en bemærkelsesværdig detektor kan skabes, for eksempel, baseret på en elektrisk styret faseovergang. Grafen viste sig kun at være en god affyringsrampe her, bare en dør, bag hvilken er en hel verden af ​​spændende ny forskning."

Resultaterne i denne artikel er et eksempel på et vellykket samarbejde mellem flere forskningsgrupper. Forfatterne bemærker, at det er dette arbejdsformat, der giver dem mulighed for at opnå videnskabelige resultater i verdensklasse. For eksempel, tidligere, det samme hold af videnskabsmænd demonstrerede, hvordan bølger i grafens elektronhav kan bidrage til udviklingen af ​​terahertz-teknologi. "I en tid med hurtig udvikling af teknologi, det bliver stadig sværere at opnå konkurrencedygtige resultater, " kommenterer Dr. Georgy Fedorov, souschef for laboratoriet for nanocarbonmaterialer, MIPT, "Kun ved at kombinere indsatsen og ekspertisen fra flere grupper kan vi med succes realisere de sværeste opgaver og nå de mest ambitiøse mål, hvilket vi vil fortsætte med."


Varme artikler