I fisici dell’Istituto di fisica e tecnologia di Mosca insieme ai colleghi dell’Università pedagogica statale di Mosca e dell’Università di Manchester hanno creato un rilevatore di radiazioni terahertz altamente sensibile basato sull’effetto tunnel nel grafene. In effetti, un transistor a tunnel ad effetto di campo è stato trasformato in un rilevatore, che poteva essere aperto da segnali “dall'aria” e non trasmessi attraverso circuiti convenzionali.
Tunneling quantistico. Fonte immagine: Daria Sokol, servizio stampa MIPT
La scoperta, basata sulle idee dei fisici Mikhail Dyakonov e Mikhail Shur proposte all'inizio degli anni '1990, avvicina l'era delle tecnologie wireless terahertz. Ciò significa che la velocità delle comunicazioni wireless aumenterà molte volte e le tecnologie radar e di sicurezza, la radioastronomia e la diagnostica medica raggiungeranno un livello completamente nuovo.
L'idea dei fisici russi era che il transistor tunnel fosse proposto per essere utilizzato non per l'amplificazione e la demodulazione del segnale, ma come un dispositivo che “trasforma da solo il segnale modulato in una sequenza di bit o informazioni vocali a causa della relazione non lineare tra corrente e tensione." In altre parole, l'effetto tunneling può verificarsi a un livello di segnale estremamente basso al gate del transistor, il che consentirà al transistor di avviare una corrente tunneling (aperta) anche da un segnale molto debole.
Perché lo schema classico dell'utilizzo dei transistor non è adatto? Quando si passa alla gamma dei terahertz, la maggior parte dei transistor esistenti non ha il tempo di ricevere la carica richiesta, quindi il classico circuito radio con un amplificatore di segnale debole su un transistor seguito da demodulazione diventa inefficace. È necessario migliorare i transistor, che funzionano anche fino a un certo limite, oppure offrire qualcosa di completamente diverso. I fisici russi hanno proposto proprio questo “altro”.
Transistor tunnel al grafene come rilevatore terahertz. Fonte immagine: Nature Communications
"L'idea di una forte risposta di un transistor tunnel alle basse tensioni è nota da circa quindici anni", afferma uno degli autori dello studio, capo del laboratorio di optoelettronica dei materiali bidimensionali presso il Centro di fotonica e Materiali bidimensionali al MIPT, Dmitry Svintsov. “Prima di noi, nessuno si era reso conto che questa stessa proprietà di un transistor a tunnel potesse essere utilizzata nella tecnologia dei rilevatori terahertz”. Come hanno stabilito gli scienziati, "se un transistor si apre e si chiude bene con una bassa potenza del segnale di controllo, dovrebbe essere in grado di captare anche un segnale debole dall'aria".
Per l'esperimento, descritto sulla rivista Nature Communications, è stato creato un transistor tunnel su doppio strato di grafene. L'esperimento ha dimostrato che la sensibilità del dispositivo in modalità tunnel è di diversi ordini di grandezza superiore a quella della modalità di trasporto classica. Pertanto, il rilevatore sperimentale a transistor si è rivelato non peggiore in termini di sensibilità rispetto ai bolometri simili a superconduttori e semiconduttori disponibili sul mercato. La teoria suggerisce che più puro è il grafene, maggiore sarà la sensibilità, che supera di gran lunga le capacità dei moderni rilevatori terahertz, e questa non è un'evoluzione, ma una rivoluzione nel settore.
Fonte: 3dnews.ru