Forskerhold demonstrerer kontrolmekanisme for kvantemateriale

Hvordan kan store mængder data overføres eller behandles så hurtigt som muligt? En nøgle til dette kunne være grafen. Det ultratynde materiale er kun et atomlag tykt, og de elektroner, den indeholder, har helt særlige egenskaber på grund af kvanteeffekter. Det kunne derfor være meget velegnet til brug i højtydende elektroniske komponenter. Indtil dette punkt, imidlertid, der har manglet viden om, hvordan man på passende vis kan kontrollere visse egenskaber ved grafen. En ny undersøgelse foretaget af et team af forskere fra Bielefeld og Berlin, sammen med forskere fra andre forskningsinstitutter i Tyskland og Spanien, er ved at ændre dette. Holdets resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Består af kulstofatomer, grafen er et materiale kun et atom tykt, hvor atomerne er arrangeret i et sekskantet gitter. Dette arrangement af atomer er det, der resulterer i grafens unikke egenskab:elektronerne i dette materiale bevæger sig, som om de ikke havde masse. Denne "masseløse" opførsel af elektroner fører til meget høj elektrisk ledningsevne i grafen og, vigtigt, denne egenskab bibeholdes ved stuetemperatur og under omgivende betingelser. Grafen er derfor potentielt meget interessant til moderne elektronikapplikationer.

Det blev for nylig opdaget, at dens elektroners høje elektroniske ledningsevne og "masseløse" opførsel gør det muligt for grafen at ændre frekvenskomponenterne af elektriske strømme, der passerer gennem det. Denne egenskab er meget afhængig af, hvor stærk denne strøm er. I moderne elektronik, en sådan ikke-linearitet omfatter en af ​​de mest basale funktionaliteter til omskiftning og behandling af elektriske signaler. Det, der gør grafen unik, er, at dets ikke-linearitet er langt det stærkeste af alle elektroniske materialer. I øvrigt, det fungerer meget godt til usædvanligt høje elektroniske frekvenser, strækker sig ind i det teknologisk vigtige terahertz (THz) område, hvor de fleste konventionelle elektroniske materialer fejler.

I deres nye undersøgelse, holdet af forskere fra Tyskland og Spanien demonstrerede, at grafens ikke-linearitet kan kontrolleres meget effektivt ved at anvende forholdsvis beskedne elektriske spændinger på materialet. For det, forskerne fremstillede en enhed, der ligner en transistor, hvor en kontrolspænding kunne påføres grafen via et sæt elektriske kontakter. Derefter, ultrahøjfrekvente THz-signaler blev transmitteret ved hjælp af enheden:transmissionen og den efterfølgende transformation af disse signaler blev derefter analyseret i forhold til den påførte spænding. Forskerne fandt ud af, at grafen bliver næsten perfekt gennemsigtig ved en bestemt spænding - dens normalt stærke ikke-lineære respons forsvinder næsten. Ved at øge eller sænke spændingen lidt fra denne kritiske værdi, grafen kan omdannes til et stærkt ikke-lineært materiale, væsentligt ændrer styrken og frekvenskomponenterne af de transmitterede og remitterede THz elektroniske signaler.

"Dette er et væsentligt skridt fremad mod implementering af grafen i elektrisk signalbehandling og signalmodulationsapplikationer, " siger prof. Dmitry Turchinovich, en fysiker ved Bielefeld Universitet og en af ​​lederne af denne undersøgelse. "Tidligere havde vi allerede demonstreret, at grafen er langt det mest ikke-lineære funktionelle materiale, vi kender til. Vi forstår også fysikken bag ikke-linearitet, som nu er kendt som termodynamisk billede af ultrahurtig elektrontransport i grafen. Men indtil nu vidste vi ikke, hvordan vi skulle kontrollere denne ikke-linearitet, som var det manglende led med hensyn til at bruge grafen i dagligdags teknologier."

"Ved at anvende kontrolspændingen til grafen, vi var i stand til at ændre antallet af elektroner i materialet, der kan bevæge sig frit, når det elektriske signal påføres det, " forklarer Dr. Hassan A. Hafez, medlem af professor Dr. Turchinovichs laboratorium i Bielefeld, og en af ​​studiets hovedforfattere. "På den ene side, jo flere elektroner kan bevæge sig som reaktion på det påførte elektriske felt, jo stærkere strømme, hvilket skulle øge ulineariteten. Men på den anden side, jo flere frie elektroner er tilgængelige, jo stærkere interaktionen mellem dem er, og dette undertrykker ikke-lineariteten. Her demonstrerede vi - både eksperimentelt og teoretisk - at ved at anvende en relativt svag ekstern spænding på kun nogle få volt, de optimale betingelser for den stærkeste THz nonlin-earitet i grafen kan skabes."

"Med dette arbejde, vi har nået en vigtig milepæl på vejen mod at bruge grafen som et ekstremt effektivt ikke-lineært funktionelt kvantemateriale i enheder som THz frekvensomformere, blandere, og modulatorer, " siger professor Dr. Michael Gensch fra Institute of Optical Sensor Systems i German Aerospace Center (DLR) og Technical University of Berlin, hvem er den anden leder af denne undersøgelse. "Dette er yderst relevant, fordi grafen er perfekt kompatibel med eksisterende elektronisk ultrahøjfrekvent halvlederteknologi som CMOS eller Bi-CMOS. Det er derfor nu muligt at forestille sig hybride enheder, hvor det indledende elektriske signal genereres ved lavere frekvens ved hjælp af eksisterende halvlederteknologi men kan så meget effektivt opkonverteres til meget højere THz-frekvenser i grafen, alt sammen på en fuldt kontrollerbar og forudsigelig måde."

Forskere fra Bielefeld Universitet, Institut for Optiske Sensorsystemer i DLR, det tekniske universitet i Berlin, Helmholtz Center Dresden-Rossendorf, og Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, samt Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) og Institute of Photonic Sciences (ICFO) i Spanien deltog i denne undersøgelse.