グラフェン: すべては制御下にある: 研究チームは量子材料の制御メカニズムを実証

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ビーレフェルト大学のドミトリー・トゥルチノビッチ教授は、研究責任者2名のうちの1人です。彼は、将来の電気工学用途でグラフェンをどのように使用できるかを研究しています。写真: ビーレフェルト大学/医学博士ミュラークレジット写真: ビーレフェルト大学/医学博士ミュラー

要約：
大量のデータをできるだけ早く転送または処理するにはどうすればよいでしょうか?これに対する鍵の 1 つはグラフェンである可能性があります。この極薄物質の厚さはわずか 1 原子層であり、それに含まれる電子は量子効果により非常に特殊な特性を持っています。したがって、高性能電子部品での使用に非常に適している可能性があります。しかし、これまで、グラフェンの特定の特性を適切に制御する方法についての知識は不足していました。ビーレフェルトとベルリンの科学者チームと、ドイツとスペインの他の研究機関の研究者らによる新しい研究が、この状況を変えようとしている。研究チームの研究結果は、Science Advances 誌に掲載されました。

グラフェン：すべてが制御下にある：研究チームが量子材料の制御メカニズムを実証

ビーレフェルト、ドイツ |投稿日: 9 年 2021 月 XNUMX 日

炭素原子で構成されるグラフェンは、原子が六角形の格子状に配置され、原子 1 個の厚さしかない材料です。この原子の配置により、グラフェンのユニークな特性が生まれます。つまり、この材料内の電子は、まるで質量がないかのように動きます。電子のこの「質量のない」挙動は、グラフェンの非常に高い電気伝導率をもたらし、重要なことに、この特性は室温および周囲条件下で維持されます。したがって、グラフェンは現代のエレクトロニクス用途にとって潜在的に非常に興味深いものとなります。

最近、グラフェンの高い電子伝導性と電子の「質量のない」挙動により、グラフェンを通過する電流の周波数成分を変化させることができることが発見されました。この特性は、この電流の強さに大きく依存します。現代のエレクトロニクスでは、このような非線形性は電気信号のスイッチングと処理のための最も基本的な機能の 1 つを構成します。グラフェンのユニークな点は、その非線形性がすべての電子材料の中で最も強いことです。さらに、従来の電子材料のほとんどが使用できない技術的に重要なテラヘルツ (THz) 範囲にまで及ぶ、非常に高い電子周波数でも非常にうまく機能します。

ドイツとスペインの研究者チームは、新しい研究で、グラフェンの非線形性は、材料に比較的控えめな電圧を印加することで非常に効率的に制御できることを実証した。このために研究者らは、一連の電気接点を介してグラフェンに制御電圧を印加できる、トランジスタに似たデバイスを製造した。次に、このデバイスを使用して超短波 THz 信号が送信されました。次に、これらの信号の送信とその後の変換が、印加された電圧に関連して分析されました。研究者らは、グラフェンが特定の電圧でほぼ完全に透明になり、通常は強い非線形応答がほぼ消失することを発見しました。この臨界値から電圧をわずかに増減させることで、グラフェンを強力な非線形材料に変えることができ、送信および再送されるTHz電子信号の強度と周波数成分が大幅に変化します。

「これは、電気信号処理および信号変調アプリケーションにおけるグラフェンの実装に向けた重要な前進です」と、ビーレフェルト大学の物理学者であり、この研究の責任者の一人であるドミトリー・トゥルチノビッチ教授は述べています。「以前に、グラフェンが私たちが知っている中で最も非線形な機能材料であることをすでに実証しました。また、私たちは非線形性の背後にある物理学も理解しています。これは現在、グラフェンにおける超高速電子輸送の熱力学的図として知られています。しかし、これまで、どのようにするのかはわかりませんでした。」この非線形性を制御することは、日常のテクノロジーでグラフェンを使用する場合のミッシングリンクでした。」

「グラフェンに制御電圧を印加することで、電気信号が印加されたときに自由に移動できる材料内の電子の数を変えることができました」と、トゥルチノビッチ教授のメンバーであるハッサン・A・ハフェズ博士は説明する。ビーレフェルトの研究室に所属し、この研究の筆頭著者の一人。「一方で、印加された電場に応じてより多くの電子が移動できるほど、電流が強くなり、非線形性が高まるはずです。しかし他方では、より多くの自由電子が利用可能になり、それらの間の相互作用がより強くなります。これにより非線形性が抑制されます。ここで、わずか数ボルトの比較的弱い外部電圧を印加することで、グラフェンにおける最も強い THz 非線形性のための最適な条件を作り出すことができることを、実験的にも理論的にも実証しました。」

「この研究により、テラヘルツ周波数変換器、ミキサー、変調器などのデバイスにおいて、非常に効率的な非線形機能量子材料としてグラフェンを使用するための重要なマイルストーンに到達しました」と光研究所のマイケル・ゲンシュ博士は述べています。ドイツ航空宇宙センター (DLR) とベルリン工科大学のセンサーシステム、彼はこの研究のもう一人の責任者です。「グラフェンはCMOSやBi-CMOSなどの既存の電子超高周波半導体技術と完全に互換性があるため、これは非常に重要です。したがって、既存の半導体技術を使用して初期電気信号がより低い周波数で生成されるハイブリッドデバイスを構想することが可能になりました」しかしその後、完全に制御可能かつ予測可能な方法で、グラフェン内で非常に効率的にはるかに高いテラヘルツ周波数にアップコンバートできます。」

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ビーレフェルト大学、DLR 光学センサーシステム研究所、ベルリン工科大学、ドレスデン・ロッセンドルフのヘルムホルツセンター、ドイツのマックス・プランク高分子研究所、カタルーニャ・ナノサイエンス研究所の研究者この研究にはスペインのナノテクノロジー (ICN2) と光科学研究所 (ICFO) が参加しました。

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コンタクト：
ビーレフェルト大学教授ドミトリー・トゥルチノヴィッチ博士
49-521-106

@uniaktuell

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