Kvantové tunelování v grafenu posouvá éru vysokorychlostní bezdrátové komunikace Terahertz

Kvantové tunelování. Půjčka: Tisková kancelář Daria Sokol / MIPT

Vědci z MIPT, Moskevské státní pedagogické univerzity a univerzity v Manchesteru vyvinuli velmi citlivý terahertzový detektor založený na účincích kvantově mechanického tunelování. grafen„Citlivost zařízení již převyšuje citlivost komerčních analogů založených na polovodičích, což otevírá perspektivu použití detektoru grafenu v bezdrátové komunikaci, bezpečnostních systémech, radioastronomii a lékařské diagnostice.“ Výsledky výzkumu jsou publikovány ve vysoce postaveném časopise Příroda komunikace,

Přenos informací v bezdrátových sítích je založen na transformaci diskrétní sekvence bitů vysokofrekvenčních spojitých elektromagnetických vln. Tato technika je známá jako modulace signálu. Pro rychlejší přenos bitů musíte zvýšit modulační frekvenci. To však vyžaduje současné zvýšení nosné frekvence. Celkové FM rádio vysílá na frekvenci 100 MHz, přijímač Wi-Fi používá signály na frekvenci přibližně pět GHz, zatímco mobilní sítě 5G mohou přenášet signály až do 20 GHz.

To je daleko od limitu, հետ další zvýšení nosné frekvence umožňuje proporcionální zvýšení rychlostí přenosu dat. Bohužel příjem signálů na stovkách gigahertzů je stále obtížnější.

Standardní přijímač používaný v bezdrátové komunikaci se skládá ze zesilovače založeného na tranzistoru se slabým signálem – modulátoru, který koriguje sekvenci bitů z modulovaného signálu. Tento systém vznikl ve věku rozhlasu a televize a stal se neefektivním při stovkách gigahertzů požadovaných pro mobilní systémy. Faktem je, že většina stávajících tranzistorů není dostatečně rychlá na nabíjení při tak vysoké frekvenci.

Evolučním řešením tohoto problému je jednoduše zvýšení pracovní frekvence tranzistoru. Většina profesionálů v nanoelektronice v této oblasti tvrdě pracuje. Revoluční způsob řešení problému teoreticky navrhli počátkem 90. let fyzici Michael Diakonov a Michael Shur, který mimo jiné realizovala skupina autorů v roce 2018. To znamená vzdát se aktivního zesílení tranzistoru առանձին vzdát se samostatného demodulátoru. Zbytek obvodu je jeden tranzistor, ale jeho role je nyní jiná. Sám převádí modulovaný signál na bitovou sekvenci nebo zvukový signál kvůli jeho nelineárnímu poklesu napětí հոս poklesu napětí.

V této studii autoři prokázali, že detekce terahertzového signálu je v takzvaném tranzistoru tunelového pole velmi účinná. Abychom pochopili jeho fungování, lze jednoduše připomenout princip elektromechanického relé, když průchod proudu ovládacími kontakty vede k vytvoření dvou vodičů mechanického připojení a následně proudu. Použití řídicího kontaktního napětí (termín „hradlo“) v tunelovém tranzistoru vede k vyrovnání úrovní energie zdrojových vln. To také vede k výpadkům proudu. Charakteristickým rysem tunelového tranzistoru je jeho velmi silná citlivost na řídicí napětí. Dokonce i malá „detonace“ úrovně výkonu stačí k přerušení choulostivého procesu kvantově mechanického tunelování. Podobně je malé napětí na řídicí bráně schopné „připojit“ úrovně k zahájení tunelového proudu.

„Myšlenka silné reakce tunelového tranzistoru na nízké napětí je známá již asi patnáct let,“ uvedl Dr. Dmitrij Svintsov, spoluautor studie, vedoucí laboratoře 2D materiálů MIPT Optoelectronics. Centrum fotoniky և 2D materiály. „Ale stal se známým pouze v nízkoenergetické komunitě elektroniky. Nikdo před námi si neuvědomil, že stejnou vlastnost tunelového tranzistoru lze použít v technologii terahertzových detektorů. Georgi Alimov (spoluautor studie): Měl jsem to štěstí, že jsem pracoval v obou oborech. Tehdy jsme to pochopili. Pokud se tranzistor otevírá և zavírá signálem s nízkým výkonem, měl by také dobře sbírat slabé signály z prostředí. »

Zařízení je založeno na dvou vrstvách grafenu, jedinečného materiálu, ve kterém lze polohu energetické hladiny (přesněji strukturu pásu) řídit pomocí napětí. To autorům umožnilo změnit klasický transportně-kvantový tunelový transport v rámci jediného zařízení, pouze změnou polarity napětí v řídicích kontaktech. Tato schopnost je nesmírně důležitá pro přesné srovnání detekční schopnosti klasického kvantového tunelového tranzistoru.

Zkušenosti ukazují, že citlivost zařízení v tunelovacím režimu je o několik řádů vyšší než v běžném transportním režimu. Nejmenší signál z detektoru na hlučném pozadí již soutěží s komerčně dostupným signálem supravodivého polovodičového bolometru. To však není limit. Citlivost detektoru lze dále zvýšit u „čistších“ zařízení s nízkou hustotou zbytků. Experimentálně testovaná teorie detekce ukazuje, že citlivost „optimálního“ detektoru může být stokrát vyšší.

„Současné spekulace vzbuzují velké naděje na vývoj rychlých a citlivých bezdrátových detektorů,“ říká hlavní autor Dr. Dennis Bandurin. A tato oblast se neomezuje pouze na grafen, neomezuje se pouze na tunelové tranzistory. Očekáváme, že se stejným úspěchem bude možné vytvořit pozoruhodný detektor, například na základě elektricky řízeného fázového posuvu. Ukázalo se, že Graphene právě vypustil raketu, jen dveře za celým světem vzrušujícího nového výzkumu. »

Výsledky uvedené v tomto článku jsou příkladem úspěšné spolupráce mezi několika výzkumnými skupinami. Autoři poznamenávají, že právě tato míra práce jim umožňuje dosáhnout vědeckých výsledků na světové úrovni. Například dříve stejný tým vědců ukázal, jak mohou vlny elektronového grafenu přispět k vývoji terahertzové technologie. „V době rychle se rozvíjející technologie je stále obtížnější dosáhnout konkurenčních výsledků.“ – Komentoval Dr. Georgi Fedorov, zástupce vedoucího laboratoře nanokarbonů MIPT. „Pouze spojením úsilí a zkušeností několika skupin můžeme úspěšně splnit nejtěžší úkoly, dosáhnout nejambicióznějších cílů, které budeme i nadále dělat“

Odkaz. „Tranzistory s efektem tunelového pole pro citlivou terciární detekci“ I. Gayduchenko, SG Xu, G. Alymov, M. Moskotin, I. Treťjakov, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Goltsman, AK Geim, G. Fedorov, D . Svintsov և D. Bandurin, 22. ledna 2021 Příroda komunikace,
DOI: 10.1038 / s41467-020-20721-z:

Práce byla podpořena Ruskou vědeckou nadací (grant č. 16-19-10557) ռուսական Ruská nadace pro základní výzkum (grant č. 18-29-20116 milionů).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Sledujte teplo a hledejte stopy k planetární evoluci

Kosmická loď NASA Galileo zachytila ​​Jupiterův měsíc Io, třetí největší satelit na Zemi, podstupující sopečnou erupci. Zkroucená oběžná dráha Io ji vrhá do neustálého...

Viry bez chřipky mají onemocnění podobné chřipce a úmrtnost

Non-chřipkové respirační virové infekce (NIRV) jsou spojeny s chřipkovými chorobami a úmrtností u hospitalizovaných dospělých, podle nové studie v CMAJ (Journal of Canadian Medical...

V období křídy se Severní Amerikou potulovalo 2,5 miliardy T. Rexes

Analýza toho, co je o dinosaurovi známo, vede k závěru, že jich bylo v průběhu času 2,5 miliardy. Jako mnoho Tyrannosaurů se Rexes potuloval v...

Vědci vizualizují pohyb vírů v kvantové supratekuté turbulenci

Obrázek ukazuje kvantové vírové trubice, které podléhají zjevné superdifúzi. Bílé tečky představují zachycené částice, které vědci sledovali, aby vizualizovali a sledovali pohyb trubic,...

Nový nástroj Deep Learning AI může způsobit revoluci v mikroskopu

Obrázek ukazuje, jak se neurální síť používá k získání zajímavých informací z obrazu mikroskopu. Půjčka: Aykut Argun Nástroj AI vyvinutý na univerzitě v Göteborgu...

Newsletter

Subscribe to stay updated.