Grafen: wszystko pod kontrolą: zespół badawczy demonstruje mechanizm kontrolny dla materiału kwantowego

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Strona główna > Naciśnij przycisk > Grafen: wszystko pod kontrolą: zespół badawczy demonstruje mechanizm kontrolny materiału kwantowego

Profesor dr Dmitry Turchinovich z Uniwersytetu w Bielefeld jest jednym z dwóch kierowników badania. Bada, w jaki sposób grafen można wykorzystać w przyszłych zastosowaniach w elektrotechnice. Foto: Uniwersytet w Bielefeld/ M.-D. Müller CREDIT Zdjęcie: Uniwersytet w Bielefeld/M.-D. Müllera

Abstrakcyjny:
W jaki sposób można przesyłać lub przetwarzać duże ilości danych tak szybko, jak to możliwe? Kluczem do tego może być grafen. Ultracienki materiał ma grubość tylko jednej warstwy atomowej, a zawarte w nim elektrony mają bardzo szczególne właściwości ze względu na efekty kwantowe. Może zatem bardzo dobrze nadawać się do stosowania w komponentach elektronicznych o wysokiej wydajności. Jednak do tego momentu brakowało wiedzy na temat odpowiedniego kontrolowania niektórych właściwości grafenu. Nowe badanie przeprowadzone przez zespół naukowców z Bielefeld i Berlina wraz z badaczami z innych instytutów badawczych w Niemczech i Hiszpanii zmienia tę sytuację. Odkrycia zespołu opublikowano w czasopiśmie Science Advances.

Grafen: wszystko pod kontrolą: zespół badawczy demonstruje mechanizm kontroli materiału kwantowego

Bielefeld, Niemcy | Opublikowano 9 kwietnia 2021 r

Grafen, składający się z atomów węgla, jest materiałem o grubości zaledwie jednego atomu, a atomy są ułożone w sześciokątną siatkę. To ułożenie atomów skutkuje wyjątkową właściwością grafenu: elektrony w tym materiale poruszają się tak, jakby nie miały masy. To „bezmasowe” zachowanie elektronów prowadzi do bardzo wysokiej przewodności elektrycznej grafenu i, co ważne, właściwość ta utrzymuje się w temperaturze pokojowej i w warunkach otoczenia. Grafen jest zatem potencjalnie bardzo interesujący w zastosowaniach współczesnej elektroniki.

Niedawno odkryto, że wysoka przewodność elektronowa i „bezmasowe” zachowanie elektronów pozwala grafenowi zmieniać składowe częstotliwości przepływających przez niego prądów elektrycznych. Właściwość ta w dużym stopniu zależy od siły tego prądu. We współczesnej elektronice taka nieliniowość obejmuje jedną z najbardziej podstawowych funkcjonalności przełączania i przetwarzania sygnałów elektrycznych. Tym, co czyni grafen wyjątkowym, jest to, że jego nieliniowość jest zdecydowanie najsilniejszą ze wszystkich materiałów elektronicznych. Co więcej, działa bardzo dobrze w przypadku wyjątkowo wysokich częstotliwości elektronicznych, sięgających do technologicznie ważnego zakresu terahercowego (THz), w którym zawodzi większość konwencjonalnych materiałów elektronicznych.

W swoim nowym badaniu zespół naukowców z Niemiec i Hiszpanii wykazał, że nieliniowość grafenu można bardzo skutecznie kontrolować, przykładając do materiału stosunkowo niewielkie napięcie elektryczne. W tym celu badacze stworzyli urządzenie przypominające tranzystor, w którym napięcie sterujące można było przyłożyć do grafenu za pośrednictwem zestawu styków elektrycznych. Następnie za pomocą urządzenia transmitowano sygnały o ultrawysokiej częstotliwości THz: transmisję i późniejszą transformację tych sygnałów analizowano w zależności od przyłożonego napięcia. Naukowcy odkryli, że przy pewnym napięciu grafen staje się prawie idealnie przezroczysty – jego zwykle silna nieliniowa reakcja prawie zanika. Nieznacznie zwiększając lub obniżając napięcie od tej wartości krytycznej, grafen można przekształcić w silnie nieliniowy materiał, znacząco zmieniając siłę i składowe częstotliwości przesyłanych i przekazywanych sygnałów elektronicznych THz.

„To znaczący krok naprzód w kierunku zastosowania grafenu w zastosowaniach związanych z przetwarzaniem sygnałów elektrycznych i modulacją sygnału” – mówi prof. Dmitry Turchinovich, fizyk z Uniwersytetu w Bielefeld i jeden z kierowników tego badania. „Wcześniej wykazaliśmy już, że grafen jest zdecydowanie najbardziej nieliniowym materiałem funkcjonalnym, jaki znamy. Rozumiemy także fizykę stojącą za nieliniowością, znaną obecnie jako termodynamiczny obraz ultraszybkiego transportu elektronów w grafenie. Ale do tej pory nie wiedzieliśmy, jak to zrobić zapanować nad tą nieliniowością, która była brakującym ogniwem w kontekście wykorzystania grafenu w technologiach codziennego użytku.”

„Przykładając napięcie sterujące do grafenu, byliśmy w stanie zmienić liczbę elektronów w materiale, które mogą się swobodnie poruszać po przyłożeniu do niego sygnału elektrycznego” – wyjaśnia dr Hassan A. Hafez, członek zespołu profesora dr Turchinovicha laboratorium w Bielefeld i jeden z głównych autorów badania. „Z jednej strony, im więcej elektronów może poruszać się w odpowiedzi na przyłożone pole elektryczne, tym silniejsze są prądy, co powinno zwiększyć nieliniowość. Z drugiej jednak strony, im więcej wolnych elektronów jest dostępnych, tym silniejsza jest interakcja między nimi, a to tłumi nieliniowość. Tutaj wykazaliśmy – zarówno eksperymentalnie, jak i teoretycznie – że przykładając stosunkowo słabe napięcie zewnętrzne wynoszące zaledwie kilka woltów, można stworzyć optymalne warunki dla najsilniejszej nieliniowości THz w grafenie.

„Dzięki tej pracy osiągnęliśmy ważny kamień milowy na drodze do wykorzystania grafenu jako niezwykle wydajnego nieliniowego funkcjonalnego materiału kwantowego w urządzeniach takich jak przetwornice częstotliwości THz, miksery i modulatory” – mówi profesor dr Michael Gensch z Instytutu Optyki Sensor Systems z Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) i Politechniki Berlińskiej, który jest drugim kierownikiem tego badania. „Jest to niezwykle istotne, ponieważ grafen jest doskonale kompatybilny z istniejącą technologią półprzewodników elektronicznych o ultrawysokiej częstotliwości, taką jak CMOS lub Bi-CMOS. Można zatem teraz wyobrazić sobie urządzenia hybrydowe, w których początkowy sygnał elektryczny jest generowany z niższą częstotliwością przy użyciu istniejącej technologii półprzewodników ale można je następnie bardzo skutecznie przekonwertować na znacznie wyższe częstotliwości THz w grafenie, a wszystko to w w pełni kontrolowany i przewidywalny sposób”.

# # #

Naukowcy z Uniwersytetu w Bielefeld, Instytutu Optycznych Systemów Sensorowych DLR, Politechniki Berlińskiej, Centrum Helmholtza w Dreźnie-Rossendorfie i Instytutu Badań nad Polimerami Maxa Plancka w Niemczech, a także Katalońskiego Instytutu Nanonauki i W badaniu tym uczestniczyła firma Nanotechnologia (ICN2) i Instytut Nauk Fotonicznych (ICFO) w Hiszpanii.

####

Aby uzyskać więcej informacji, kliknij tutaj

Łączność:
Profesor dr Dmitry Turchinovich, Uniwersytet w Bielefeld
49-521-106-5468

@uniaktuell

Prawa autorskie © Uniwersytet w Bielefeld

Jeśli masz komentarz, proszę Kontakt my.

Wydawcy komunikatów prasowych, a nie 7th Wave, Inc. lub Nanotechnology Now, ponoszą wyłączną odpowiedzialność za dokładność treści.

Zakładka: