Grafeno: tudo sob controle: equipe de pesquisa demonstra mecanismo de controle para material quântico

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O professor Dr. Dmitry Turchinovich, da Universidade de Bielefeld, é um dos dois líderes do estudo. Ele investiga como o grafeno pode ser usado em futuras aplicações de engenharia elétrica. Foto: Universidade de Bielefeld/ M.-D. Müller CRÉDITO Foto: Bielefeld University/M.-D. Müller

Abstrato:
Como podem ser transferidas ou processadas grandes quantidades de dados o mais rapidamente possível? Uma chave para isso poderia ser o grafeno. O material ultrafino tem apenas uma camada atômica de espessura e os elétrons que ele contém têm propriedades muito especiais devido a efeitos quânticos. Poderia, portanto, ser muito adequado para uso em componentes eletrônicos de alto desempenho. Até este ponto, no entanto, tem havido uma falta de conhecimento sobre como controlar adequadamente certas propriedades do grafeno. Um novo estudo realizado por uma equipa de cientistas de Bielefeld e Berlim, juntamente com investigadores de outros institutos de investigação na Alemanha e em Espanha, está a mudar esta situação. As descobertas da equipe foram publicadas na revista Science Advances.

Grafeno: tudo sob controle: equipe de pesquisa demonstra mecanismo de controle para material quântico

Bielefeld, Alemanha | Postado em 9 de abril de 2021

Composto por átomos de carbono, o grafeno é um material com apenas um átomo de espessura, onde os átomos estão dispostos em uma rede hexagonal. Esse arranjo de átomos é o que resulta na propriedade única do grafeno: os elétrons desse material se movem como se não tivessem massa. Este comportamento "sem massa" dos elétrons leva a uma condutividade elétrica muito alta no grafeno e, mais importante, esta propriedade é mantida à temperatura ambiente e sob condições ambientais. O grafeno é, portanto, potencialmente muito interessante para aplicações eletrônicas modernas.

Recentemente foi descoberto que a alta condutividade eletrônica e o comportamento “sem massa” de seus elétrons permitem que o grafeno altere os componentes de frequência das correntes elétricas que passam por ele. Esta propriedade é altamente dependente de quão forte é esta corrente. Na eletrônica moderna, tal não linearidade compreende uma das funcionalidades mais básicas para comutação e processamento de sinais elétricos. O que torna o grafeno único é que a sua não linearidade é de longe a mais forte de todos os materiais eletrónicos. Além disso, funciona muito bem para frequências eletrônicas excepcionalmente altas, estendendo-se até a faixa tecnologicamente importante dos terahertz (THz), onde a maioria dos materiais eletrônicos convencionais falha.

No seu novo estudo, a equipa de investigadores da Alemanha e Espanha demonstrou que a não linearidade do grafeno pode ser controlada de forma muito eficiente através da aplicação de tensões eléctricas comparativamente modestas ao material. Para isso, os pesquisadores fabricaram um dispositivo semelhante a um transistor, onde uma tensão de controle poderia ser aplicada ao grafeno por meio de um conjunto de contatos elétricos. Em seguida, foram transmitidos sinais THz de ultra-alta frequência pelo aparelho: a transmissão e posterior transformação desses sinais foram então analisadas em relação à tensão aplicada. Os pesquisadores descobriram que o grafeno se torna quase perfeitamente transparente a uma certa voltagem – sua resposta não linear normalmente forte quase desaparece. Aumentando ou diminuindo ligeiramente a tensão deste valor crítico, o grafeno pode ser transformado em um material fortemente não linear, alterando significativamente a força e os componentes de frequência dos sinais eletrônicos THz transmitidos e remetidos.

"Este é um passo significativo em direção à implementação do grafeno em aplicações de processamento de sinais elétricos e modulação de sinais", diz o Prof. Dmitry Turchinovich, físico da Universidade de Bielefeld e um dos chefes deste estudo. "Anteriormente já havíamos demonstrado que o grafeno é de longe o material funcional mais não linear que conhecemos. Também entendemos a física por trás da não linearidade, que agora é conhecida como imagem termodinâmica do transporte ultrarrápido de elétrons no grafeno. Mas até agora não sabíamos como para controlar essa não-linearidade, que era o elo que faltava no que diz respeito ao uso do grafeno nas tecnologias cotidianas."

"Ao aplicar a tensão de controle ao grafeno, fomos capazes de alterar o número de elétrons no material que podem se mover livremente quando o sinal elétrico é aplicado a ele", explica o Dr. Hassan A. Hafez, membro do professor Dr. laboratório em Bielefeld e um dos principais autores do estudo. "Por um lado, quanto mais elétrons puderem se mover em resposta ao campo elétrico aplicado, mais fortes serão as correntes, o que deve aumentar a não-linearidade. Mas, por outro lado, quanto mais elétrons livres estiverem disponíveis, mais forte será a interação entre eles, e isso suprime a não-linearidade. Aqui demonstramos - tanto experimentalmente quanto teoricamente - que aplicando uma tensão externa relativamente fraca de apenas alguns volts, as condições ideais para a não-linearidade THz mais forte no grafeno podem ser criadas."

“Com este trabalho, alcançamos um marco importante no caminho para o uso do grafeno como um material quântico funcional não linear extremamente eficiente em dispositivos como conversores de frequência THz, misturadores e moduladores”, diz o professor Dr. Sistemas de Sensores do Centro Aeroespacial Alemão (DLR) e da Universidade Técnica de Berlim, que é o outro chefe deste estudo. "Isso é extremamente relevante porque o grafeno é perfeitamente compatível com a tecnologia existente de semicondutores eletrônicos de ultra-alta frequência, como CMOS ou Bi-CMOS. Portanto, agora é possível imaginar dispositivos híbridos nos quais o sinal elétrico inicial é gerado em frequência mais baixa usando a tecnologia de semicondutores existente mas pode então ser convertido de forma muito eficiente para frequências THz muito mais altas no grafeno, tudo de uma maneira totalmente controlável e previsível."

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Pesquisadores da Universidade de Bielefeld, do Instituto de Sistemas de Sensores Ópticos do DLR, da Universidade Técnica de Berlim, do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf e do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros na Alemanha, bem como do Instituto Catalão de Nanociência e A Nanotecnologia (ICN2) e o Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO) da Espanha participaram deste estudo.

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Contactos:
Professor Dr. Dmitry Turchinovich, Universidade de Bielefeld
49-521-106-5468

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