El grafeno, un material ultrafino que consiste en una sola capa de átomos de carbono interconectados, se considera un candidato prometedor para la nanoelectrónica del futuro. En teoría, debería permitir velocidades de reloj hasta mil veces más rápidas que las actuales basadas en silicioLos científicos del Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR y la Universidad de Duisburg-Essen UDE, en cooperación con el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros MPI-P, han demostrado por primera vez que el grafeno puedeen realidad convierte señales electrónicas con frecuencias en el rango de gigahercios, que corresponden a las frecuencias de reloj actuales, de manera extremadamente eficiente en señales con una frecuencia varias veces mayor. Los investigadores presentan sus resultados en la revista científica Naturaleza .
Los componentes electrónicos basados en silicio de hoy en día operan a frecuencias de reloj de varios cientos de gigahercios GHz, es decir, están cambiando varios miles de millones de veces por segundo. La industria electrónica actualmente está tratando de acceder al rango de terahercios THz, es decir, hacia arribaa velocidades de reloj mil veces más rápidas. Un material prometedor y potencial sucesor del silicio podría ser el grafeno, que tiene una alta conductividad eléctrica y es compatible con todas las tecnologías electrónicas existentes. En particular, la teoría ha predicho durante mucho tiempo que el grafeno podría ser un "no lineal" muy eficiente"material electrónico, es decir, un material que puede convertir de manera muy eficiente un campo electromagnético oscilante aplicado en campos con una frecuencia mucho más alta. Sin embargo, todos los esfuerzos experimentales para probar este efecto en el grafeno en los últimos diez años no han tenido éxito".
"Ahora hemos podido proporcionar la primera prueba directa de multiplicación de frecuencia de gigahercios a terahercios en una monocapa de grafeno y generar señales electrónicas en el rango de terahercios con una eficiencia notable", explica el Dr. Michael Gensch, cuyo grupo realiza investigaciones sobrefísica ultrarrápida y opera la novedosa fuente de radiación de terahercios TELBE en el HZDR. Y no solo eso: sus socios de cooperación dirigidos por el profesor Dmitry Turchinovich, físico experimental de la Universidad de Duisburg-Essen UDE, han logrado describir cuantitativamente las medicionesusando un modelo simple basado en principios físicos fundamentales de la termodinámica.
Con este avance, los investigadores están allanando el camino para la nanoelectrónica ultrarrápida a base de grafeno: "No solo pudimos demostrar experimentalmente un efecto pronosticado durante mucho tiempo en el grafeno por primera vez, sino también entenderlo cuantitativamente bien al mismo tiempotiempo ", enfatiza el Prof. Dmitry Turchinovich." En mi laboratorio hemos estado investigando los mecanismos físicos básicos de la no linealidad electrónica del grafeno durante varios años. Sin embargo, nuestras fuentes de luz no fueron suficientes para detectar y cuantificar la multiplicación de frecuencia limpia yclaro. Para esto, necesitábamos capacidades experimentales que actualmente solo están disponibles en las instalaciones de TELBE ".
La tan esperada prueba experimental de la generación extremadamente eficiente de terahercios de altos armónicos en grafeno ha tenido éxito con la ayuda de un truco: los investigadores utilizaron grafeno que contiene muchos electrones libres, que provienen de la interacción del grafeno con el sustrato en el que se encuentradepositados, así como con el aire ambiente. Si estos electrones móviles son excitados por un campo eléctrico oscilante, comparten su energía muy rápidamente con los otros electrones en el grafeno, que luego reaccionan como un fluido calentado: de un "líquido electrónico""en sentido figurado, se forma un" vapor "electrónico dentro del grafeno. El cambio de la fase" líquida "a la" vapor "se produce en billonésimas de segundo y provoca cambios particularmente rápidos y fuertes en la conductividad del grafeno. Esta es la claveefecto que conduce a una multiplicación de frecuencia eficiente.
Los científicos usaron pulsos electromagnéticos de la instalación de TELBE con frecuencias entre 300 y 680 gigahercios y los convirtieron en el grafeno en pulsos electromagnéticos con tres, cinco y siete veces la frecuencia inicial, es decir, los convirtieron al rango de frecuencia de terahercios "."Los coeficientes no lineales que describen la eficiencia de la generación de esta frecuencia armónica tercera, quinta y séptima fueron excepcionalmente altos", explica Turchinovich. "El grafeno es, por lo tanto, posiblemente el material electrónico con la no linealidad más fuerte conocida hasta la fecha. El buen acuerdo de los valores medidos connuestro modelo termodinámico sugiere que también podremos usarlo para predecir las propiedades de los dispositivos nanoelectrónicos de ultra alta velocidad hechos de grafeno ". La profesora Mischa Bonn, directora del MPI-P, que también participó en este trabajo, enfatiza:"Nuestro descubrimiento es innovador. Hemos demostrado que la electrónica a base de carbono puede operar de manera extremadamente eficiente a velocidades ultrarrápidas. Ultracomponentes híbridos rápidos hechos de grafeno y semiconductores tradicionales también son concebibles ".
El experimento se realizó utilizando la nueva fuente de radiación TELBE terahercios basada en un acelerador superconductor en el Centro ELBE para fuentes de radiación de alta potencia en el HZDR. Su frecuencia de pulso cien veces mayor en comparación con las fuentes típicas de terahercios basadas en láser hicieron la mediciónla precisión requerida para la investigación del grafeno es posible en primer lugar. Un método de procesamiento de datos desarrollado como parte del proyecto EUCALL de la UE permite a los investigadores utilizar los datos de medición tomados con cada uno de los 100,000 pulsos de luz por segundo ". Para nosotros existeno hay malos datos ", dice Gensch." Dado que podemos medir cada pulso, obtenemos órdenes de magnitud en la precisión de la medición. En términos de tecnología de medición, estamos en el límite de lo que es actualmente factible ". Los primeros autores del artículoson los dos jóvenes científicos Hassan A. Hafez UDE / MPI-P y Sergey Kovalev HZDR.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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