Cientistas do MIPT (Instituto de Física e Tecnologia de Moscou), A Universidade Estadual Pedagógica de Moscou e a Universidade de Manchester criaram um detector de terahertz altamente sensível com base no efeito do tunelamento mecânico-quântico no grafeno. A sensibilidade do dispositivo já é superior aos análogos disponíveis comercialmente com base em semicondutores e supercondutores, que abre perspectivas para aplicações do detector de grafeno em comunicações sem fio, Sistemas de segurança, radioastronomia, e diagnósticos médicos. Os resultados da pesquisa são publicados em Nature Communications .

A transferência de informações em redes sem fio é baseada na transformação de uma onda eletromagnética contínua de alta frequência em uma sequência discreta de bits. Esta técnica é conhecida como modulação de sinal. Para transferir os bits mais rápido, é preciso aumentar a frequência de modulação. Contudo, isso requer um aumento síncrono na frequência da portadora. Um rádio FM comum transmite em frequências de cem megahertz, um receptor Wi-Fi usa sinais de frequência de aproximadamente cinco gigahertz, enquanto as redes móveis 5G podem transmitir sinais de até 20 gigahertz. Isso está longe do limite, e um aumento adicional na frequência da portadora permite um aumento proporcional nas taxas de transferência de dados. Infelizmente, captar sinais com frequências de cem gigahertz ou mais é um problema cada vez mais desafiador.

Um receptor típico usado em comunicações sem fio consiste em um amplificador baseado em transistor de sinais fracos e um demodulador que retifica a sequência de bits do sinal modulado. Este esquema teve origem na era do rádio e da televisão, e se torna ineficiente em frequências de centenas de gigahertz desejáveis ​​para sistemas móveis. O fato é que a maioria dos transistores existentes não são rápidos o suficiente para recarregar em uma frequência tão alta.

Uma forma evolutiva de resolver esse problema é simplesmente aumentar a frequência máxima de operação de um transistor. Muitos especialistas na área de nanoeletrônica trabalham arduamente nessa direção. Uma forma revolucionária de resolver o problema foi proposta teoricamente no início da década de 1990 pelos físicos Michael Dyakonov e Michael Shur, e percebi, entre outros, pelo grupo de autores em 2018. Implica no abandono da amplificação ativa por transistor, e abandonar um demodulador separado. O que resta no circuito é um único transistor, mas seu papel agora é diferente. Ele transforma um sinal modulado em sequência de bits ou sinal de voz por si só, devido à relação não linear entre sua corrente e queda de tensão.

No presente trabalho, os autores provaram que a detecção de um sinal terahertz é muito eficiente no chamado transistor de efeito de campo de tunelamento. Para entender seu trabalho, pode-se apenas lembrar o princípio de um relé eletromecânico, onde a passagem de corrente através dos contatos de controle leva a uma conexão mecânica entre dois condutores e, portanto, para o surgimento de corrente. Em um transistor de tunelamento, aplicar tensão ao contato de controle (denominado '' portão '') leva ao alinhamento dos níveis de energia da fonte e do canal. Isso também leva ao fluxo de corrente. Uma característica distintiva de um transistor de tunelamento é sua sensibilidade muito forte para controlar a tensão. Mesmo uma pequena "dessintonização" dos níveis de energia é suficiente para interromper o processo sutil de tunelamento da mecânica quântica. De forma similar, uma pequena tensão na porta de controle é capaz de "conectar" os níveis e iniciar a corrente de tunelamento.

"A ideia de uma forte reação de um transistor de tunelamento a baixas tensões é conhecida há cerca de quinze anos, "diz o Dr. Dmitry Svintsov , um dos autores do estudo, chefe do laboratório de optoeletrônica de materiais bidimensionais no centro MIPT de fotônica e materiais 2-D. "Mas ele é conhecido apenas na comunidade da eletrônica de baixa potência. Ninguém percebeu antes de nós que a mesma propriedade de um transistor de tunelamento pode ser aplicada na tecnologia de detectores terahertz. Georgy Alymov (co-autor do estudo) e eu tivemos sorte de trabalhar em ambas as áreas. Percebemos então:se o transistor é aberto e fechado em uma baixa potência do sinal de controle, então também deve ser bom para captar sinais fracos do ambiente circundante. "

O dispositivo criado é baseado em grafeno de duas camadas, um material único em que a posição dos níveis de energia (mais estritamente, a estrutura de banda) pode ser controlada usando uma tensão elétrica. Isso permitiu aos autores alternar entre o transporte clássico e o transporte de tunelamento quântico dentro de um único dispositivo, com apenas uma mudança nas polaridades da tensão nos contatos de controle. Esta possibilidade é de extrema importância para uma comparação precisa da capacidade de detecção de um transistor de tunelamento clássico e quântico.

O experimento mostrou que a sensibilidade do dispositivo no modo de tunelamento é algumas ordens de magnitude maior do que no modo de transporte clássico. O sinal mínimo distinguível pelo detector contra o fundo barulhento já compete com o dos bolômetros supercondutores e semicondutores disponíveis comercialmente. Contudo, este não é o limite - a sensibilidade do detector pode ser aumentada ainda mais em dispositivos 'mais limpos' com uma baixa concentração de impurezas residuais. A teoria de detecção desenvolvida, testado pelo experimento, mostra que a sensibilidade do detector ideal pode ser cem vezes maior.

“As características atuais suscitam grandes esperanças para a criação de detectores rápidos e sensíveis para comunicações sem fio, "diz o autor da obra, Dr. Denis Bandurin. E essa área não se limita ao grafeno e não se limita aos transistores de túnel. Esperamos que, com o mesmo sucesso, um detector notável pode ser criado, por exemplo, com base em uma transição de fase controlada eletricamente. O grafeno acabou sendo apenas uma boa plataforma de lançamento aqui, apenas uma porta, por trás do qual está todo um mundo de novas pesquisas empolgantes. "

Os resultados apresentados neste artigo são um exemplo de colaboração bem-sucedida entre vários grupos de pesquisa. Os autores observam que é este formato de trabalho que lhes permite obter resultados científicos de nível mundial. Por exemplo, mais cedo, a mesma equipe de cientistas demonstrou como as ondas no mar de elétrons do grafeno podem contribuir para o desenvolvimento da tecnologia terahertz. "Em uma era de tecnologia em rápida evolução, está se tornando cada vez mais difícil alcançar resultados competitivos, "comenta o Dr. Georgy Fedorov, vice-chefe do laboratório de materiais de nanocarbono, MIPT, "Somente combinando os esforços e conhecimentos de vários grupos podemos realizar com sucesso as tarefas mais difíceis e alcançar os objetivos mais ambiciosos, que continuaremos a fazer. "