Grafene: tutto sotto controllo: il team di ricerca dimostra il meccanismo di controllo per i materiali quantistici

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Il professor Dr. Dmitry Turchinovich dell'Università di Bielefeld è uno dei due responsabili dello studio. Indaga su come il grafene può essere utilizzato in future applicazioni di ingegneria elettrica. Foto: Università di Bielefeld / M.-D. Müller CREDIT Foto: Università di Bielefeld / M.-D. Müller

Abstract:
Come è possibile trasferire o elaborare grandi quantità di dati il più rapidamente possibile? Una chiave per questo potrebbe essere il grafene. Il materiale ultrasottile ha lo spessore di un solo strato atomico e gli elettroni in esso contenuti hanno proprietà molto speciali dovute agli effetti quantistici. Potrebbe quindi essere molto adatto per l'uso in componenti elettronici ad alte prestazioni. Fino a questo punto, tuttavia, mancava la conoscenza su come controllare adeguatamente alcune proprietà del grafene. Un nuovo studio condotto da un team di scienziati di Bielefeld e Berlino, insieme a ricercatori di altri istituti di ricerca in Germania e Spagna, sta cambiando la situazione. I risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.

Grafene: tutto sotto controllo: il team di ricerca dimostra il meccanismo di controllo per il materiale quantistico

Bielefeld, Germania | Pubblicato il 9 aprile 2021

Costituito da atomi di carbonio, il grafene è un materiale spesso solo un atomo in cui gli atomi sono disposti in un reticolo esagonale. Questa disposizione degli atomi è ciò che determina la proprietà unica del grafene: gli elettroni in questo materiale si muovono come se non avessero massa. Questo comportamento "privo di massa" degli elettroni porta a una conduttività elettrica molto elevata nel grafene e, cosa importante, questa proprietà viene mantenuta a temperatura ambiente e in condizioni ambientali. Il grafene è quindi potenzialmente molto interessante per le moderne applicazioni elettroniche.

Recentemente è stato scoperto che l'elevata conduttività elettronica e il comportamento "privo di massa" dei suoi elettroni consentono al grafene di alterare le componenti di frequenza delle correnti elettriche che lo attraversano. Questa proprietà dipende fortemente da quanto è forte questa corrente. Nell'elettronica moderna, tale non linearità costituisce una delle funzionalità più basilari per la commutazione e l'elaborazione dei segnali elettrici. Ciò che rende unico il grafene è che la sua non linearità è di gran lunga il più forte di tutti i materiali elettronici. Inoltre, funziona molto bene per frequenze elettroniche eccezionalmente elevate, estendendosi nella gamma dei terahertz (THz) tecnologicamente importante dove la maggior parte dei materiali elettronici convenzionali fallisce.

Nel loro nuovo studio, il team di ricercatori tedeschi e spagnoli ha dimostrato che la non linearità del grafene può essere controllata in modo molto efficiente applicando tensioni elettriche relativamente modeste al materiale. A tale scopo, i ricercatori hanno prodotto un dispositivo simile a un transistor, in cui una tensione di controllo potrebbe essere applicata al grafene tramite una serie di contatti elettrici. Successivamente, utilizzando il dispositivo sono stati trasmessi segnali THz ad altissima frequenza: la trasmissione e la successiva trasformazione di questi segnali sono state poi analizzate in relazione alla tensione applicata. I ricercatori hanno scoperto che il grafene diventa quasi perfettamente trasparente a un certo voltaggio: la sua risposta non lineare, normalmente forte, quasi svanisce. Aumentando o abbassando leggermente la tensione rispetto a questo valore critico, il grafene può essere trasformato in un materiale fortemente non lineare, alterando in modo significativo la forza e le componenti di frequenza dei segnali elettronici THz trasmessi e rimessi.

"Questo è un significativo passo avanti verso l'implementazione del grafene nelle applicazioni di elaborazione e modulazione del segnale elettrico", afferma il prof. Dmitry Turchinovich, fisico dell'Università di Bielefeld e uno dei responsabili di questo studio. "In precedenza avevamo già dimostrato che il grafene è di gran lunga il materiale funzionale più non lineare che conosciamo. Comprendiamo anche la fisica dietro la nonlinearità, che ora è nota come immagine termodinamica del trasporto di elettroni ultraveloce nel grafene. Ma fino ad ora non sapevamo come farlo. per controllare questa non linearità, che era l'anello mancante rispetto all'uso del grafene nelle tecnologie quotidiane."

"Applicando la tensione di controllo al grafene, siamo stati in grado di alterare il numero di elettroni nel materiale che possono muoversi liberamente quando viene applicato il segnale elettrico", spiega il Dr. Hassan A. Hafez, membro del Professor Dr. Turchinovich laboratorio di Bielefeld e uno degli autori principali dello studio. "Da un lato, più elettroni possono muoversi in risposta al campo elettrico applicato, più forti saranno le correnti, il che dovrebbe aumentare la non linearità. Ma dall'altro, più elettroni liberi sono disponibili, più forte è l'interazione tra loro, e questo sopprime la non linearità. Qui abbiamo dimostrato, sia sperimentalmente che teoricamente, che applicando una tensione esterna relativamente debole di soli pochi volt, è possibile creare le condizioni ottimali per la non linearità THz più forte nel grafene.

"Con questo lavoro, abbiamo raggiunto un'importante pietra miliare nel percorso verso l'utilizzo del grafene come materiale quantistico funzionale non lineare estremamente efficiente in dispositivi come convertitori di frequenza THz, mixer e modulatori", afferma il professor Dr. Michael Gensch dell'Institute of Optical Sensor Systems del Centro aerospaziale tedesco (DLR) e dell'Università tecnica di Berlino, che è l'altro capo di questo studio. "Ciò è estremamente rilevante perché il grafene è perfettamente compatibile con la tecnologia elettronica esistente dei semiconduttori ad altissima frequenza come CMOS o Bi-CMOS. È quindi ora possibile immaginare dispositivi ibridi in cui il segnale elettrico iniziale viene generato a frequenza più bassa utilizzando la tecnologia dei semiconduttori esistente ma può poi essere convertito in modo molto efficiente a frequenze THz molto più elevate nel grafene, il tutto in modo completamente controllabile e prevedibile."

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Ricercatori dell'Università di Bielefeld, dell'Istituto dei sistemi di sensori ottici della DLR, dell'Università tecnica di Berlino, del Centro Helmholtz di Dresda-Rossendorf e dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri in Germania, nonché dell'Istituto catalano di nanoscienze e La nanotecnologia (ICN2) e l'Istituto di scienze fotoniche (ICFO) in Spagna hanno partecipato a questo studio.

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Contatti:
Professore Dr. Dmitry Turchinovich, Università di Bielefeld
49-521-106-5468

@uniaktuell

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