Grafen umożliwia zegary w zakresie terahercowym

Grzejnik elektryczny WARMTEC EWR-2000W z WiFi - sterowanie przez internet (Lipiec 2019).

Anonim

Grafen - ultracienki materiał składający się z pojedynczej warstwy powiązanych ze sobą atomów węgla - jest uważany za obiecującego kandydata na nanoelektronikę przyszłości. Teoretycznie powinna umożliwiać zegary nawet tysiąc razy szybciej niż dzisiejsza elektronika krzemowa. Naukowcy z Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) i Uniwersytetu w Duisburgu-Essen (UDE), we współpracy z Instytutem Badań nad Polimerem im. Maxa Plancka (MPI-P), po raz pierwszy pokazali, że grafen może rzeczywiście konwertować sygnały elektroniczne o częstotliwościach w zakresie gigaherców - które odpowiadają dzisiejszym częstotliwościom zegara - niezwykle wydajnie w sygnały o kilkukrotnie większej częstotliwości. Naukowcy przedstawiają swoje wyniki w czasopiśmie naukowym Nature.

Dzisiejsze krzemowe elementy elektroniczne działają z częstotliwością kilkuset gigaherców (GHz), to znaczy przełączają się kilka miliardów razy na sekundę. Przemysł elektroniczny próbuje obecnie uzyskać dostęp do zakresu terahercowego (THz), czyli do tysiąckrotnie szybszych częstotliwości zegara. Obiecującym materiałem i potencjalnym następcą krzemu może być grafen, który ma wysokie przewodnictwo elektryczne i jest kompatybilny ze wszystkimi istniejącymi technologiami elektronicznymi. W szczególności teoria długo przewidywała, że ​​grafen może być bardzo wydajnym "nieliniowym" materiałem elektronicznym, tj. Materiałem, który może bardzo wydajnie przekształcić zastosowane oscylujące pole elektromagnetyczne w pola o znacznie wyższej częstotliwości. Jednak wszystkie eksperymentalne próby udowodnienia tego efektu w grafenie w ciągu ostatnich dziesięciu lat nie zakończyły się sukcesem.

"Udało nam się teraz dostarczyć pierwszy bezpośredni dowód na mnożenie częstotliwości od gigaherców do teraherców w monowarstwie grafenu i generowanie sygnałów elektronicznych w zakresie terahercowym z niezwykłą wydajnością" - wyjaśnia dr Michael Gensch, którego zespół prowadzi badania nad ultraszybką fizyką i operuje nowatorskim źródłem promieniowania terahercowego TELBE w HZDR. I nie tylko to - ich partnerzy współpracujący kierowani przez prof. Dmitrija Turchinovicha, eksperymentalnego fizyka z Uniwersytetu Duisburg-Essen (UDE), zdołali opisać pomiary ilościowo za pomocą prostego modelu opartego na fundamentalnych fizycznych zasadach termodynamiki.

Dzięki temu przełomowi naukowcy torują drogę do ultraszybkiej nanoelektroniki opartej na grafenie: "Po raz pierwszy mogliśmy eksperymentalnie wykazać długo przewidywany efekt w grafenie, ale jednocześnie dobrze go zrozumieć ilościowo w tym samym czasie, "podkreśla prof. Dmitrij Turchinovich. "W moim laboratorium badaliśmy podstawowe fizyczne mechanizmy nieliniowości elektronowej grafenu już od kilku lat, jednak nasze źródła światła nie były wystarczające, aby właściwie wykryć i określić ilościowo mnożenie częstotliwości w sposób czysty i klarowny. które są obecnie dostępne tylko w obiekcie TELBE. "

Długo oczekiwany eksperymentalny dowód na niezwykle wydajne generowanie wyższych harmonicznych terahercowych w grafenie udało się z pomocą sztuczki: naukowcy wykorzystali grafen, który zawiera wiele wolnych elektronów, które pochodzą z interakcji grafenu z podłożem, na którym jest osadzony, jak również z otaczającym powietrzem. Jeśli te ruchome elektrony są wzbudzane przez oscylujące pole elektryczne, bardzo szybko dzielą się swoją energią z innymi elektronami w grafenie, które następnie reagują podobnie jak podgrzewany płyn: z elektronicznego "płynu", mówiąc w przenośni, powstaje elektroniczna "para" w obrębie grafenu. Zmiana fazy "ciekłej" na fazę "pary" następuje w ciągu bilionów sekundy i powoduje szczególnie gwałtowne i silne zmiany przewodnictwa grafenu. Jest to kluczowy efekt prowadzący do efektywnego mnożenia częstotliwości.

Naukowcy wykorzystali impulsy elektromagnetyczne z obiektu TELBE o częstotliwościach od 300 do 680 gigaherców i przekształcili je w grafen w impulsy elektromagnetyczne o trzech, pięciu i siedmiu razy większej niż częstotliwość początkowa, tj. Przekształcili je w zakres częstotliwości terahercowych. "Nieliniowe współczynniki opisujące wydajność generowania tej trzeciej, piątej i siódmej częstotliwości harmonicznej były wyjątkowo wysokie" - wyjaśnia Turchinovich. "Grafen jest więc prawdopodobnie materiałem elektronicznym o najsilniejszej znanej nieliniowości. Dobra zgodność mierzonych wartości z naszym modelem termodynamicznym sugeruje, że będziemy również w stanie wykorzystać go do przewidywania właściwości ultraszybkich urządzeń nanoelektronicznych wykonanych z grafenu. " Profesor Mischa Bonn, dyrektor MPI-P, który był również zaangażowany w tę pracę, podkreśla: "Nasze odkrycie jest przełomowe, pokazaliśmy, że elektronika węglowa może działać niezwykle wydajnie w ultraszybkich stawkach Ultraszybkie hybrydowe komponenty wykonane z grafenu i tradycyjne półprzewodniki są również możliwe. "

Eksperyment przeprowadzono za pomocą nowatorskiego źródła promieniowania terahercowego TELBE wykorzystującego nadprzewodzące i przyspieszające w Centrum ELBE dla źródeł promieniowania o wysokiej mocy w HZDR. Stukrotnie wyższa częstość tętna w porównaniu z typowymi laserowymi źródłami terahercowymi umożliwiła przede wszystkim dokładność pomiaru niezbędną do badania grafenu. Metoda przetwarzania danych opracowana w ramach unijnego projektu EUCALL umożliwia naukowcom wykorzystanie danych pomiarowych wykonanych przy każdym ze 100 000 impulsów świetlnych na sekundę. "Dla nas nie ma złych danych" - mówi Gensch. "Ponieważ możemy zmierzyć każdy pojedynczy impuls, uzyskujemy rzędy wielkości w dokładności pomiaru: pod względem technologii pomiarowej jesteśmy na granicy tego, co jest obecnie możliwe." Pierwszymi autorami artykułu są dwaj młodzi naukowcy Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) i Sergey Kovalev (HZDR).

menu
menu