O grafeno - um material ultrafino que consiste em uma única camada de átomos de carbono interligados - é considerado um candidato promissor para a nanoeletrônica do futuro. Em teoria, deve permitir taxas de clock até mil vezes mais rápidas do que os eletrônicos baseados em silício de hoje. Cientistas do Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e da Universidade de Duisburg-Essen (UDE), em cooperação com o Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros (MPI-P), agora mostraram pela primeira vez que o grafeno pode realmente converter sinais eletrônicos com frequências na faixa de gigahertz - que correspondem às taxas de clock de hoje - de forma extremamente eficiente em sinais com frequência várias vezes mais alta. Os pesquisadores apresentam seus resultados em revista científica Natureza .

Os componentes eletrônicos baseados em silício de hoje operam a taxas de clock de várias centenas de gigahertz (GHz), isso é, eles estão mudando vários bilhões de vezes por segundo. A indústria de eletrônicos está tentando acessar a faixa de terahertz (THz), ou seja, taxas de clock até mil vezes mais rápidas. Um material promissor e potencial sucessor do silício poderia ser o grafeno, que tem uma alta condutividade elétrica e é compatível com todas as tecnologias eletrônicas existentes. Em particular, a teoria há muito previu que o grafeno poderia ser um material eletrônico "não linear" muito eficiente, ou seja, um material que pode converter de forma muito eficiente um campo eletromagnético oscilante aplicado em campos com uma frequência muito mais alta. Contudo, todos os esforços experimentais para provar este efeito no grafeno nos últimos dez anos não tiveram sucesso.

"Agora fomos capazes de fornecer a primeira prova direta de multiplicação de frequência de gigahertz para terahertz em uma monocamada de grafeno e gerar sinais eletrônicos na faixa de terahertz com notável eficiência, "explica o Dr. Michael Gensch, cujo grupo conduz pesquisas em física ultrarrápida e opera a nova fonte de radiação TELBE terahertz no HZDR. E não só isso - seus parceiros de cooperação liderados pelo Prof. Dmitry Turchinovich, físico experimental da Universidade de Duisburg-Essen (UDE), conseguiram descrever as medições quantitativamente bem usando um modelo simples baseado em princípios físicos fundamentais da termodinâmica.

Com esta descoberta, os pesquisadores estão abrindo caminho para a nanoeletrônica ultrarrápida à base de grafeno:"Não fomos apenas capazes de demonstrar experimentalmente um efeito há muito previsto no grafeno pela primeira vez, mas também para entendê-lo quantitativamente bem ao mesmo tempo, "enfatiza o Prof. Dmitry Turchinovich." Em meu laboratório, já há vários anos investigamos os mecanismos físicos básicos da não linearidade eletrônica do grafeno. Contudo, nossas fontes de luz não foram suficientes para realmente detectar e quantificar a multiplicação de frequência de forma limpa e clara. Por esta, precisávamos de recursos experimentais que atualmente estão disponíveis apenas nas instalações da TELBE. "

A tão esperada prova experimental da geração de harmônicos elevados de terahertz extremamente eficiente no grafeno teve sucesso com a ajuda de um truque:os pesquisadores usaram o grafeno que contém muitos elétrons livres, que vêm da interação do grafeno com o substrato sobre o qual ele é depositado, bem como com o ar ambiente. Se esses elétrons móveis são excitados por um campo elétrico oscilante, eles compartilham sua energia muito rapidamente com os outros elétrons do grafeno, que então reage como um fluido aquecido:De um "líquido" eletrônico, falando figurativamente, um "vapor" eletrônico se forma dentro do grafeno. A mudança da fase "líquida" para a fase "vapor" ocorre em trilionésimos de segundo e causa mudanças particularmente rápidas e fortes na condutividade do grafeno. Este é o efeito chave que leva a uma multiplicação de frequência eficiente.

Os cientistas usaram pulsos eletromagnéticos da instalação TELBE com frequências entre 300 e 680 gigahertz e os converteram no grafeno em pulsos eletromagnéticos com três, cinco e sete vezes a frequência inicial, isto é, convertido para cima na faixa de frequência terahertz. “Os coeficientes não lineares que descrevem a eficiência da geração deste terço, a quinta e a sétima frequência harmônica eram excepcionalmente altas, "explica Turchinovich." O grafeno é, portanto, possivelmente o material eletrônico com a não linearidade mais forte conhecida até hoje. A boa concordância dos valores medidos com nosso modelo termodinâmico sugere que também seremos capazes de usá-lo para prever as propriedades de dispositivos nanoeletrônicos de ultra-alta velocidade feitos de grafeno. "Prof. Mischa Bonn, Diretor do MPI-P, que também esteve envolvido neste trabalho, enfatiza:"Nossa descoberta é inovadora. Demonstramos que a eletrônica baseada em carbono pode operar com extrema eficiência em taxas ultrarrápidas. Componentes híbridos ultrarrápidos feitos de grafeno e semicondutores tradicionais também são concebíveis."

O experimento foi realizado usando o romance, fonte de radiação TELBE terahertz baseada em acelerador supercondutor no ELBE Center for High-Power Radiation Sources no HZDR. Sua taxa de pulso cem vezes maior em comparação com as fontes terahertz baseadas em laser típicas tornou possível a precisão da medição necessária para a investigação do grafeno. Um método de processamento de dados desenvolvido como parte do projeto EUCALL permite que os pesquisadores usem realmente os dados de medição feitos com cada um dos 100, 000 pulsos de luz por segundo. "Para nós não há dados ruins, "diz Gensch." Uma vez que podemos medir cada pulso, ganhamos ordens de magnitude na precisão da medição. Em termos de tecnologia de medição, estamos no limite do que é atualmente viável. ”Os primeiros autores do artigo são os dois jovens cientistas Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) e Sergey Kovalev (HZDR).