Fysikere fra Moscow Institute of Physics and Technology med kolleger fra Moscow State Pedagogical University og University of Manchester har skabt en meget følsom terahertz-strålingsdetektor baseret på tunneleffekten i grafen. Faktisk blev en felteffekt tunneltransistor omdannet til en detektor, som kunne åbnes af signaler "fra luften", og ikke transmitteres gennem konventionelle kredsløb.
Kvante tunneling. Billedkilde: Daria Sokol, MIPT pressetjeneste
Opdagelsen, som var baseret på idéerne fra fysikerne Mikhail Dyakonov og Mikhail Shur, som blev foreslået i begyndelsen af 1990'erne, bringer æraen med trådløse terahertz-teknologier nærmere. Det betyder, at hastigheden på trådløs kommunikation vil stige mange gange, og radar- og sikkerhedsteknologier, radioastronomi og medicinsk diagnostik vil stige til et helt nyt niveau.
Ideen med de russiske fysikere var, at tunneltransistoren blev foreslået til ikke at blive brugt til signalforstærkning og demodulation, men som en enhed, der "af sig selv gør det modulerede signal til en sekvens af bits eller stemmeinformation på grund af det ikke-lineære forhold mellem strøm og spænding." Med andre ord kan tunneleffekten forekomme ved et ekstremt lavt signalniveau ved transistorens gate, hvilket vil gøre det muligt for transistoren at starte en tunnelstrøm (åben) selv fra et meget svagt signal.
Hvorfor er den klassiske ordning med at bruge transistorer ikke egnet? Når man flytter til terahertz-området, har de fleste eksisterende transistorer ikke tid til at modtage den nødvendige ladning, så det klassiske radiokredsløb med en svag signalforstærker på en transistor efterfulgt af demodulation bliver ineffektivt. Det er nødvendigt enten at forbedre transistorer, som også fungerer op til en vis grænse, eller at tilbyde noget helt andet. Russiske fysikere foreslog netop dette "andet".
Grafen tunnel transistor som en terahertz detektor. Billedkilde: Nature Communications
"Ideen om en stærk reaktion fra en tunneltransistor på lavspænding har været kendt i omkring femten år," siger en af forfatterne til undersøgelsen, leder af laboratoriet for optoelektronik af todimensionelle materialer ved Center for Fotonik og todimensionelle materialer hos MIPT, Dmitry Svintsov. "Før os var der ingen, der var klar over, at den samme egenskab ved en tunneltransistor kunne bruges i terahertz-detektorteknologi." Som videnskabsmænd har fastslået, "hvis en transistor åbner og lukker godt ved lav effekt af styresignalet, så burde den også være god til at opfange et svagt signal fra luften."
Til eksperimentet, beskrevet i tidsskriftet Nature Communications, blev der skabt en tunneltransistor på tolagsgrafen. Eksperimentet viste, at enhedens følsomhed i tunneltilstand er flere størrelsesordener højere end i klassisk transporttilstand. Den eksperimentelle transistordetektor viste sig således ikke at være dårligere i følsomhed end tilsvarende superleder- og halvlederbolometre, der er tilgængelige på markedet. Teorien antyder, at jo renere grafen, desto højere vil følsomheden være, hvilket langt overstiger mulighederne for moderne terahertz-detektorer, og dette er ikke en evolution, men en revolution i branchen.
Kilde: 3dnews.ru