Физики Московского физико-технического института с коллегами из Московского педагогического государственного университета и университета Манчестера создали высокочувствительный детектор терагерцового излучения на основе туннельного эффекта в графене. Фактически в детектор был превращён полевой туннельный транзистор, который смог открываться сигналами «из воздуха», а не переданными по обычным цепям.
Квантовое туннелирование. Источник изображения: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ
Сделанное открытие, в основу которого были положены предложенные ещё в начале 1990-х годов идеи физиков Михаила Дьяконова и Михаила Шура, приближает эпоху беспроводных терагерцовых технологий. Это означает, что скорость беспроводной связи возрастёт многократно, а радарные технологии и технологии для систем безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностики поднимутся на качественно новый уровень.
Идея российских физиков заключалась в том, что туннельный транзистор было предложено использовать не для усиления сигнала и демодуляции, а как прибор, который «сам по себе превращает модулированный сигнал в последовательность битов или голосовую информацию благодаря нелинейной зависимости между током и напряжением». Иначе говоря, туннельный эффект может возникать при крайне низком уровне сигнала на затворе транзистора, что позволит транзистору инициировать туннельный ток (открываться) даже от очень слабого сигнала.
Почему не подходит классическая схема использования транзисторов? При переходе в терагерцовый диапазон большинство существующих транзисторов не успевают получить нужный заряд, поэтому классическая радиотехническая схема с усилителем слабых сигналов на транзисторе с последующей демодуляцией становится неэффективной. Необходимо либо совершенствовать транзисторы, что тоже работает до определённого предела, либо предлагать что-то совершенно иное. Российские физики как раз это «иное» и предложили.
Графеновый туннельный транзистор в качестве терагерцового детектора. Источник изображения: Nature Communications
«Идея сильной реакции туннельного транзистора на малые напряжения известна около пятнадцати лет, — рассказывает один из авторов исследования, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Дмитрий Свинцов. — До нас никто не осознавал, что это же свойство туннельного транзистора может быть применено в технологии терагерцовых детекторов». Как установили учёные, «если транзистор хорошо открывается и закрывается при малой мощности управляющего сигнала, то он должен и хорошо улавливать слабый сигнал из воздуха».
Для эксперимента, о котором рассказано в журнале Nature Communications, создали туннельный транзистор на двухслойном графене. Эксперимент показал, что чувствительность устройства в туннельном режиме на несколько порядков превосходит аналогичную величину в режиме классического транспорта. Тем самым опытный транзистор-детектор оказался не хуже по чувствительности, чем аналогичные доступные на рынке сверхпроводниковые и полупроводниковые болометры. Теория подсказывает, что чем чище будет графен, тем выше будет чувствительность, что далеко превосходит возможности современных терагерцовых детекторов, а это уже не эволюция, а революция в отрасли.
Источник: 3dnews.ru