Fizycy z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii wraz z kolegami z Moskiewskiego Państwowego Uniwersytetu Pedagogicznego i Uniwersytetu w Manchesterze stworzyli bardzo czuły detektor promieniowania terahercowego oparty na efekcie tunelowym w grafenie. W rzeczywistości tranzystor polowy tunelowy zamieniono w detektor, który można było otworzyć za pomocą sygnałów „z powietrza”, a nie przesyłanych konwencjonalnymi obwodami.
Tunelowanie kwantowe. Źródło obrazu: Daria Sokół, serwis prasowy MIPT
Odkrycie, oparte na pomysłach fizyków Michaiła Dyakonowa i Michaiła Shura zaproponowanych na początku lat 1990. XX wieku, przybliża erę bezprzewodowych technologii terahercowych. Oznacza to, że prędkość komunikacji bezprzewodowej wzrośnie wielokrotnie, a technologie radarowe i bezpieczeństwa, radioastronomia i diagnostyka medyczna wzniosą się na zupełnie nowy poziom.
Pomysł rosyjskich fizyków polegał na tym, że tranzystor tunelowy miał służyć nie do wzmacniania i demodulacji sygnału, ale jako urządzenie, które „samoczynnie zamienia zmodulowany sygnał na ciąg bitów lub informacji głosowych ze względu na nieliniową zależność pomiędzy prądem i napięciem.” Innymi słowy, efekt tunelowania może wystąpić przy wyjątkowo niskim poziomie sygnału na bramce tranzystora, co umożliwi tranzystorowi zainicjowanie prądu tunelującego (otwartego) nawet przy bardzo słabym sygnale.
Dlaczego klasyczny schemat użycia tranzystorów nie jest odpowiedni? Po przejściu do zakresu terahercowego większość istniejących tranzystorów nie ma czasu na otrzymanie wymaganego ładunku, dlatego klasyczny obwód radiowy ze słabym wzmacniaczem sygnału na tranzystorze, po którym następuje demodulacja, staje się nieskuteczny. Trzeba albo ulepszyć tranzystory, co też działa do pewnego limitu, albo zaproponować coś zupełnie innego. Rosyjscy fizycy zaproponowali właśnie tego „innego”.
Grafenowy tranzystor tunelowy jako detektor terahercowy. Źródło obrazu: Nature Communications
„Pomysł silnej reakcji tranzystora tunelowego na niskie napięcia jest znany od około piętnastu lat” – mówi jeden z autorów opracowania, kierownik laboratorium optoelektroniki materiałów dwuwymiarowych w Centrum Fotoniki i Materiały dwuwymiarowe w MIPT, Dmitry Svintsov. „Przed nami nikt nie zdawał sobie sprawy, że tę samą właściwość tranzystora tunelowego można wykorzystać w technologii detektorów terahercowych”. Jak ustalili naukowcy, „jeśli tranzystor dobrze otwiera się i zamyka przy małej mocy sygnału sterującego, to powinien również dobrze odbierać słaby sygnał z powietrza”.
Na potrzeby eksperymentu opisanego w czasopiśmie Nature Communications stworzono tranzystor tunelowy na dwuwarstwowym grafenie. Eksperyment wykazał, że czułość urządzenia w trybie tunelowym jest o kilka rzędów wielkości większa niż w klasycznym trybie transportowym. Tym samym eksperymentalny detektor tranzystorowy okazał się nie gorszy pod względem czułości od podobnych dostępnych na rynku bolometrów nadprzewodnikowych i półprzewodnikowych. Teoria sugeruje, że im czystszy grafen, tym wyższa będzie czułość, która znacznie przekracza możliwości współczesnych detektorów terahercowych i nie jest to ewolucja, ale rewolucja w branży.
Źródło: 3dnews.ru