Nyt materiale fungerer som en effektiv frekvensmultiplikator

Højere frekvenser betyder hurtigere dataoverførsel og mere kraftfulde processorer - formlen, der har drevet it -branchen i årevis. Teknisk set, imidlertid, det er alt andet end let at holde stigende urfrekvenser og radiofrekvenser. Nye materialer kan løse problemet. Eksperimenter ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu givet et lovende resultat:Et internationalt forskerteam kunne få et nyt materiale til at øge frekvensen af ​​et terahertz-strålingsblink med en faktor syv:et første skridt for potentiale IT -applikationer, som gruppen rapporterer i journalen Naturkommunikation .

Når smartphones modtager data og computerchips udfører beregninger, sådanne processer involverer altid skiftevis elektriske felter, der sender elektroner på klart definerede stier. Højere feltfrekvenser betyder, at elektroner kan udføre deres arbejde hurtigere, muliggør højere dataoverførselshastigheder og større processorhastigheder. Det nuværende loft er terahertz -området, derfor er forskere over hele verden ivrige efter at forstå, hvordan terahertz -felter interagerer med nye materialer. "Vores TELBE terahertz -facilitet på HZDR er en fremragende kilde til at studere disse interaktioner i detaljer og identificere lovende materialer, "siger Jan-Christoph Deinert fra HZDR's Institute of Radiation Physics." En mulig kandidat er cadmiumarsenid, for eksempel."

Fysikeren har undersøgt denne forbindelse sammen med forskere fra Dresden, Köln, og Shanghai. Cadmium arsenid (Cd ₃ Som ₂ ) tilhører gruppen af ​​såkaldte tredimensionelle Dirac-materialer, hvor elektroner kan interagere meget hurtigt og effektivt, både med hinanden og med hurtigt oscillerende vekslende elektriske felter. "Vi var særligt interesserede i, om cadmiumarsenidet også udsender terahertz -stråling ved ny, højere frekvenser, "forklarer TELBE stråleforsker Sergey Kovalev." Vi har allerede observeret dette meget vellykket i grafen, et todimensionalt Dirac-materiale. "Forskerne havde mistanke om, at cadmiumarsenidets tredimensionelle elektroniske struktur ville hjælpe med at opnå høj effektivitet i denne konvertering.

For at teste dette, eksperterne brugte en særlig proces til at producere ultratynde blodplader af høj renhed fra cadmiumarsenid, som de derefter udsatte for terahertz -pulser fra TELBE -anlægget. Detektorer bag på blodpladens bagside registrerede, hvordan cadmiumarsenidet reagerede på strålingspulserne. Resultatet:"Vi var i stand til at vise, at cadmiumarsenid fungerer som en yderst effektiv frekvensmultiplikator og ikke mister sin effektivitet, ikke engang under de meget stærke terahertz -pulser, der kan genereres på TELBE, "rapporterer den tidligere HZDR -forsker Zhe Wang, der nu arbejder på universitetet i Köln. Eksperimentet var det første nogensinde til at demonstrere fænomenet terahertz frekvensmultiplikation op til den syvende harmoniske i denne stadig unge klasse af materialer.

Elektroner danser til deres eget beat

Ud over de eksperimentelle beviser, teamet sammen med forskere udgør Max Planck Institute for Physics of Complex Systems gav også en detaljeret teoretisk beskrivelse af, hvad der skete:Terahertz -pulserne, der ramte cadmiumarsenidet, genererer et stærkt elektrisk felt. "Dette felt fremskynder de frie elektroner i materialet, "Deinert beskriver." Forestil dig et stort antal små stålpiller, der ruller rundt på en plade, der meget hurtigt tippes fra side til side. "

Elektronerne i cadmiumarsenidet reagerer på denne acceleration ved at udsende elektromagnetisk stråling. Det afgørende er, at de ikke ligefrem følger rytmen i terahertz -feltet, men svinge på ret mere komplicerede veje, hvilket er en konsekvens af materialets usædvanlige elektroniske struktur. Som resultat, elektronerne udsender nye terahertz-pulser ved ulige heltalsmultipler af den originale frekvens-en ikke-lineær effekt, der ligner et klaver:Når du rammer A-tasten på tastaturet, instrumentet lyder ikke kun den nøgle, du spillede, men også et rigt spektrum af overtoner, de harmoniske.

Til en post 5G-verden

Fænomenet lover meget for mange fremtidige applikationer, for eksempel inden for trådløs kommunikation, som tendenser mod stadig højere radiofrekvenser, der kan transmittere langt flere data end nutidens konventionelle kanaler. Industrien ruller i øjeblikket 5G -standarden ud. Komponenter fremstillet af Dirac -materialer kunne en dag bruge endnu højere frekvenser - og dermed muliggøre endnu større båndbredde end 5G. Den nye klasse materialer synes også at være af interesse for fremtidige computere, da Dirac-baserede komponenter kunne, i teorien, lette højere urfrekvenser end nutidens siliciumbaserede teknologier.

Men først, grundvidenskaben bag det kræver yderligere undersøgelse. "Vores forskningsresultat var kun det første trin, "understreger Zhe Wang." Inden vi kan forestille os konkrete applikationer, vi er nødt til at øge effektiviteten af ​​de nye materialer. "Til dette formål, eksperterne vil finde ud af, hvor godt de kan styre frekvensmultiplikation ved at anvende en elektrisk strøm. Og de vil dope deres prøver, dvs. berige dem med fremmede atomer, i håb om at optimere ikke -lineær frekvenskonvertering.