Reglarea cuantică în grafen avansează era comunicațiilor fără fir Terahertz de mare viteză

Tunelare cuantică. Credit: Daria Sokol / Biroul de presă MIPT

Oamenii de știință de la MIPT, Universitatea Pedagogică de Stat din Moscova și Universitatea din Manchester au creat un detector terahertz foarte sensibil bazat pe efectul tunelului mecanic cuantic asupra grafen. Sensibilitatea dispozitivului este deja superioară analoagelor bazate pe semiconductori și superconductori disponibile în comerț, ceea ce deschide perspective pentru aplicații de detector de grafen în comunicații fără fir, sisteme de securitate, radiostronomie și diagnosticare medicală. Rezultatele cercetării sunt publicate într-un jurnal de top Comunicări despre natură.

Transferul de informații în rețelele fără fir se bazează pe transformarea unei unde electromagnetice continue de înaltă frecvență într-o secvență de biți discretă. Această tehnică este cunoscută sub numele de modulare a semnalului. Pentru a transfera biții mai repede, frecvența modulației trebuie mărită. Cu toate acestea, acest lucru necesită o creștere sincronă a frecvenței purtătorului. Un radio FM tipic transmite la frecvențe de o sută de megahertz, un receptor Wi-Fi utilizează semnale la o frecvență de aproximativ cinci gigahertz, în timp ce rețelele mobile 5G pot transmite până la 20 gigahertz.

Acest lucru este departe de limită și o creștere suplimentară a frecvenței operatorului acceptă o creștere proporțională a ratelor de transfer de date. Din păcate, recepționarea semnalelor la o sută de gigaherți și frecvențe mai mari este o problemă din ce în ce mai provocatoare.

Un receptor tipic utilizat în comunicațiile fără fir constă dintr-un amplificator de semnal slab bazat pe tranzistoare și un demodulator care reglează secvența de biți din semnalul modulat. Această schemă își are originile în epoca radio și a televiziunii și devine ineficientă la sutele de frecvențe de gigahertz dorite pentru sistemele mobile. Faptul este că majoritatea tranzistoarelor existente nu sunt suficient de rapide pentru a se reîncărca la o frecvență atât de mare.

O modalitate evolutivă de a rezolva această problemă este doar creșterea frecvenței maxime de funcționare a unui tranzistor. Majoritatea specialiștilor din domeniul nanoelectronicii lucrează din greu în acest sens. O modalitate revoluționară de a rezolva problema a fost propusă teoretic la începutul anilor 1990 de către fizicienii Michael Dyakonov și Michael Shur și a fost realizată, printre altele, de către grupul de autori în 2018. Aceasta înseamnă abandonarea amplificării active a tranzistorului și abandonarea un demodulator special. Ceea ce rămâne în circuit este un singur tranzistor, dar rolul său este acum diferit. Transformă un semnal modulat într-o secvență de biți sau semnal sonor în sine, datorită conexiunii neliniare dintre curent și căderea de tensiune.

În lucrarea de față, autorii au demonstrat că detectarea unui semnal terahertz este foarte eficientă în așa-numitul tranzistor cu efect de câmp tunel. Pentru a înțelege funcționarea acestuia, se poate aminti pur și simplu principiul unui releu electromecanic, în care trecerea curentului prin contactele de comandă duce la o conexiune mecanică între doi conductori și, astfel, la apariția curentului. Într-un tranzistor de tunelare, aplicarea tensiunii la contactul de control (termenul „poartă”) conduce la aproximarea nivelurilor de energie a sursei și a canalului. Acest lucru duce, de asemenea, la fluxul de curent. O caracteristică distinctivă a unui tranzistor de tunelare este sensibilitatea sa foarte puternică la controlul tensiunii. Chiar și o mică „detonare” a nivelurilor de energie este suficientă pentru a întrerupe procesul delicat al tunelului mecanic cuantic. În mod similar, o mică tensiune la poarta de control este capabilă să „conecteze” nivelurile și să înceapă curentul de tunelare.

„Ideea unei reacții puternice a unui tranzistor de tunelare la tensiuni joase este cunoscută de aproximativ cincisprezece ani”, spune Dr. Dmitry Svintsov, unul dintre autorii studiului, șeful Laboratorului de materiale 2D pentru optoelectronică de la centrul MIPT pentru fotonică și materiale 2D. „Dar este cunoscut doar în comunitatea electronică de mică putere. Nimeni nu și-a dat seama în față că aceeași proprietate a unui tranzistor de tunelare poate fi aplicată tehnologiei detectorului terahertz. Georgy Alymov (coautor al studiului) și cu mine am avut norocul că am lucrat în ambele domenii. Ne-am dat seama atunci: dacă tranzistorul se deschide și se închide cu o putere redusă a semnalului de control, atunci ar trebui să fie bun și pentru a primi semnale slabe din mediul înconjurător. ”

Dispozitivul creat se bazează pe grafen cu două straturi, un material unic în care poziția nivelurilor de energie (mai precis, structura benzii) poate fi controlată folosind o tensiune electrică. Acest lucru a permis autorilor să comute între transportul cuantic clasic și transportul cuantic al tunelului într-un singur dispozitiv, cu o singură modificare a polarității tensiunii la contactele de control. Această posibilitate este extrem de importantă pentru o comparație exactă a capacității de detectare a unui tranzistor de tunelare clasic și cuantic.

Experimentul a arătat că sensibilitatea dispozitivului în modul de tunelare este puțin mai grea decât cea din modul de transport clasic. Semnalul minim diferențiat de detector în fundalul zgomotos concurează deja cu cel al bolometrelor supraconductoare și semiconductoare disponibile pe piață. Cu toate acestea, aceasta nu este limita – sensibilitatea detectorului poate fi crescută și mai mult la dispozitivele „mai curate” cu o concentrație scăzută de impurități reziduale. Teoria detecției dezvoltată, testată de experiment, arată că sensibilitatea detectorului „optim” poate fi de o sută de ori mai mare.

„Caracteristicile actuale oferă o mare speranță pentru crearea de detectoare rapide și sensibile pentru comunicații fără fir”, spune autorul lucrării, Dr. Denis Bandurin. Și această zonă nu se limitează la grafen și nu se limitează la tranzistoare tunel. Ne așteptăm ca, cu același succes, să poată fi creat un detector remarcabil, de exemplu, pe baza unei tranziții de fază controlate electric. Grafenul sa dovedit a fi doar un bun bloc de lansare aici, doar o ușă, în spatele căreia se află o lume întreagă de noi cercetări interesante. ”

Rezultatele prezentate în această lucrare sunt un exemplu de colaborare de succes între mai multe grupuri de cercetare. Autorii remarcă faptul că acest format de lucru le permite să obțină rezultate științifice de nivel mondial. De exemplu, mai devreme, aceeași echipă de oameni de știință a demonstrat cum undele din marea electronică a grafenului ar putea contribui la dezvoltarea tehnologiei terahertz. “Într-o eră a tehnologiei care evoluează rapid, devine din ce în ce mai dificil să obții rezultate competitive.” – comentarii Dr. Georgy Fedorov, vicepreședinte al Laboratorului de materiale nanocarbonate, MIPT, „Doar combinând eforturile și expertiza mai multor grupuri, putem îndeplini cu succes cele mai dificile sarcini și atingem cele mai ambițioase obiective, pe care le vom continua să le realizăm”.

Referință: „Tranzistoarele cu efect de câmp tunel pentru detectarea sensibilității terahertzului” de I. Gayduchenko, SG Xu, G. Alymov, M. Moskotin, I. Tretyakov, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Goltsman, AK Geim, G. Fedorov , D. Svintsov și DA Bandurin, 22 ianuarie 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-020-20721-z

Lucrarea a fost susținută de Fundația Rusă pentru Științe (subvenția nr. 16-19-10557) și Fundația Rusă pentru Cercetare de Bază (subvenția nr. 18-29-20116 mk).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.