Квантовое туннелирование в графене приближает эру высокоскоростной беспроводной связи
Это открывает перспективы применения графенового детектора в беспроводной связи, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике.
Передача информации в беспроводных сетях основана на преобразовании высокочастотной непрерывной электромагнитной волны в дискретную последовательность битов. Этот метод известен как модуляция сигнала. Чтобы передавать биты быстрее, нужно увеличить частоту модуляции. Однако для этого требуется синхронное увеличение несущей частоты. Обычное FM-радио передает на частотах в сотни мегагерц, приемник Wi-Fi использует сигналы с частотой примерно 5 гигагерц, а мобильные сети 5G могут передавать сигналы до 20 гигагерц.
Это далеко от предела, и дальнейшее увеличение несущей частоты допускает пропорциональное увеличение скорости передачи данных. К сожалению, прием сигналов с частотами в сотни гигагерц и выше становится все более сложной задачей.
Типичный приемник, используемый в беспроводной связи, состоит из транзисторного усилителя слабых сигналов и демодулятора, который выпрямляет последовательность битов из модулированного сигнала. Дело в том, что большинство существующих транзисторов недостаточно быстры, чтобы улавливать сигнал на такой высокой частоте.
В исследовании авторы доказали, что обнаружение терагерцового сигнала очень эффективно в так называемом туннельном полевом транзисторе. Его отличительной особенностью является очень высокая чувствительность к управляющему напряжению. Даже небольшое отклонение энергетических уровней способно прервать процесс квантово-механического туннелирования.
«Никто до нас не догадывался, что свойство сильной реакции туннельного транзистора на низкие напряжения можно применить в технике терагерцовых детекторов. Мы поняли: если транзистор открывается и закрывается при низкой мощности управляющего сигнала, он также должен хорошо улавливать слабые сигналы из окружающей среды». — говорит доктор Дмитрий Свинцов, один из авторов исследования, заведующий лабораторией.
Созданное устройство основано на двухслойном графене — уникальном материале, в котором положением энергетических уровней (точнее, зонной структурой) можно управлять с помощью электрического напряжения. Это позволило авторам переключаться между классическим транзистором и квантовым туннельным транзистором в одном устройстве, просто меняя полярности напряжения на управляющих контактах. Эта возможность чрезвычайно важна для точного сравнения детектирующей способности.
Эксперимент показал, что чувствительность устройства в туннельном режиме на несколько порядков выше, чем в классическом. Однако это не предел — чувствительность детектора можно еще больше повысить в сотни раз.
«Текущие характеристики вселяют большие надежды на создание быстрых и чувствительных детекторов для беспроводной связи», — говорит автор работы доктор Денис Бандурин. «И эта область не ограничивается графеном. Мы ожидаем, что с таким же успехом можно будет создать замечательный детектор, например, на основе электрически управляемого фазового перехода. Графен оказался здесь просто хорошей стартовой площадкой в мире новых интересных исследований».
Результаты работы являются примером успешного сотрудничества между несколькими исследовательскими группами. Авторы отмечают, что именно такой формат работы позволяет получать научные результаты мирового уровня.