Graphene memungkinkan laju jam dalam rentang terahertz

These Liquids Look Alive! (Juli 2019).

Anonim

Graphene — material ultrathin yang terdiri dari satu lapisan atom karbon yang saling terkait — dianggap sebagai kandidat yang menjanjikan untuk nanoelectronics masa depan. Secara teori, itu harus memungkinkan laju jam hingga seribu kali lebih cepat daripada elektronik berbasis silikon saat ini. Para ilmuwan dari Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) dan Universitas Duisburg-Essen (UDE), bekerja sama dengan Institut Max Planck untuk Penelitian Polimer (MPI-P), kini telah menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa graphene dapat benar-benar mengubah sinyal elektronik dengan frekuensi dalam kisaran gigahertz — yang sesuai dengan tarif jam hari ini — sangat efisien menjadi sinyal dengan frekuensi beberapa kali lebih tinggi. Para peneliti menyajikan hasil mereka di jurnal ilmiah Nature.

Komponen elektronik berbasis silikon saat ini beroperasi pada tingkat jam beberapa ratus gigahertz (GHz), artinya, mereka beralih beberapa miliar kali per detik. Industri elektronik saat ini mencoba mengakses rentang terahertz (THz), yaitu, hingga ribuan kali kecepatan jam lebih cepat. Bahan yang menjanjikan dan potensi pengganti silikon dapat berupa graphene, yang memiliki konduktivitas listrik yang tinggi dan kompatibel dengan semua teknologi elektronik yang ada. Secara khusus, teori telah lama meramalkan bahwa graphene dapat menjadi bahan elektronik "nonlinier" yang sangat efisien, yaitu bahan yang dapat secara efisien mengubah medan elektromagnetik terapung yang diaplikasikan ke medan dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi. Namun, semua upaya eksperimental untuk membuktikan efek ini dalam graphene selama sepuluh tahun terakhir belum berhasil.

"Kami sekarang telah dapat memberikan bukti langsung pertama dari penggandaan frekuensi dari gigahertz ke terahertz dalam monolayer graphene dan untuk menghasilkan sinyal elektronik dalam kisaran terahertz dengan efisiensi yang luar biasa, " jelas Dr Michael Gensch, yang kelompoknya melakukan penelitian tentang fisika ultra-cepat. dan mengoperasikan sumber radiasi terahertz TELBE baru di HZDR. Dan tidak hanya itu - mitra kerja sama mereka yang dipimpin oleh Prof Dmitry Turchinovich, fisikawan eksperimental di Universitas Duisburg-Essen (UDE), telah berhasil menggambarkan pengukuran secara kuantitatif dengan baik menggunakan model sederhana berdasarkan prinsip-prinsip fisik termodinamika.

Dengan terobosan ini, para peneliti membuka jalan untuk ultraelectronics berbasis graphene ultra-cepat: "Kami tidak hanya mampu secara eksperimental menunjukkan efek lama diprediksi di graphene untuk pertama kalinya, tetapi juga untuk memahaminya secara kuantitatif dengan baik pada saat yang sama, "Menekankan Prof Dmitry Turchinovich. "Di laboratorium saya, kami telah menyelidiki mekanisme fisik dasar dari nonlinier elektronika graphene sudah beberapa tahun. Namun, sumber cahaya kami tidak cukup untuk benar-benar mendeteksi dan mengukur perkalian frekuensi bersih dan jelas. Untuk ini, kami membutuhkan kemampuan eksperimental. yang saat ini hanya tersedia di fasilitas TELBE. "

Bukti eksperimental yang ditunggu-tunggu dari generasi harmonisa tinggi terahertz yang sangat tinggi di graphene telah berhasil dengan bantuan trik: Para peneliti menggunakan graphene yang mengandung banyak elektron bebas, yang berasal dari interaksi graphene dengan substrat ke mana ia disimpan, serta dengan udara ambien. Jika elektron-elektron bergerak ini tertarik oleh medan listrik berosilasi, mereka berbagi energi mereka dengan sangat cepat dengan elektron-elektron lain dalam graphene, yang kemudian bereaksi sama seperti cairan yang dipanaskan: Dari "cairan" elektronik, secara kiasan, bentuk "uap" elektronik dalam graphene. Perubahan dari fase "cair" ke fase "uap" terjadi dalam seperseratus detik dan menyebabkan perubahan yang sangat cepat dan kuat dalam konduktivitas graphene. Ini adalah efek kunci yang mengarah ke perkalian frekuensi yang efisien.

Para ilmuwan menggunakan pulsa elektromagnetik dari fasilitas TELBE dengan frekuensi antara 300 dan 680 gigahertz dan mengubahnya dalam graphene menjadi pulsa elektromagnetik dengan tiga, lima dan tujuh kali frekuensi awal, yaitu naik-dikonversi mereka ke rentang frekuensi terahertz. "Koefisien nonlinear menggambarkan efisiensi generasi frekuensi harmonik ketiga, kelima dan ketujuh ini sangat tinggi, " jelas Turchinovich. "Grafena demikian mungkin bahan elektronik dengan nonlinearitas terkuat yang dikenal hingga saat ini. Kesepakatan yang baik dari nilai yang terukur dengan model termodinamika kami menunjukkan bahwa kami juga akan dapat menggunakannya untuk memprediksi sifat-sifat perangkat nanoelectronic ultrahigh-speed terbuat dari graphene. " Prof Mischa Bonn, Direktur MPI-P, yang juga terlibat dalam pekerjaan ini, menekankan: "Penemuan kami adalah terobosan. Kami telah menunjukkan bahwa elektronik berbasis karbon dapat beroperasi sangat efisien pada tingkat ultracepat. Komponen hibrida ultrafast terbuat dari graphene. dan semikonduktor tradisional juga bisa dibayangkan. "

Percobaan ini dilakukan menggunakan novel, sumber radiasi TELBE terahertz berbasis superkonduktor-akselerator di Pusat ELBE untuk Sumber Radiasi Berkekuatan Tinggi di HZDR. Denyut nadi seratus kali lebih tinggi dibandingkan dengan sumber terahertz berbasis laser khusus membuat akurasi pengukuran yang diperlukan untuk penyelidikan graphene mungkin di tempat pertama. Metode pemrosesan data yang dikembangkan sebagai bagian dari proyek EU EUCALL memungkinkan para peneliti untuk benar-benar menggunakan data pengukuran yang diambil dengan masing-masing dari 100.000 pulsa cahaya per detik. "Bagi kami tidak ada data buruk, " kata Gensch. "Karena kita dapat mengukur setiap pulsa tunggal, kita memperoleh perintah besarnya dalam akurasi pengukuran. Dalam hal teknologi pengukuran, kita berada pada batas dari apa yang saat ini layak." Penulis pertama artikel ini adalah dua ilmuwan muda Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) dan Sergey Kovalev (HZDR).

menu
menu