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新材料充当高效倍频器
发布时间:2020-06-01 08:31:30 阅读:120

来源:德国亥姆霍兹国家研究中心联合会(Helmholtz Association of German Research Centres)以下简称HZDR;太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

HZDR的国际研究小组已证明,三维狄拉克材料砷化镉(蓝—红锥)可将增强太赫兹脉冲(红线)频率七倍。其原因就是砷化镉中的自由电子(红点)。当它们被太赫兹光波的电场加速后,进而会发射出电磁辐射。
来源:德国亥姆霍兹国家研究中心联合会

    更高的频率意味着更快的数据传输和更强大的处理器,这一公式多年来一直推动着IT行业的发展。然而,从技术上讲,要持续增加时钟频率和无线电频率绝非易事。只有采用新型材料,才有望解决这个问题。德国亥姆霍兹国家研究中心联合会(HZDR)开展了各种实验,一个颇具希望结果已经产生:经HZDR国际研究小组的证明,三维狄拉克材料砷化镉(蓝—红锥)可将增强太赫兹脉冲(红线)频率七倍。这是今后在IT领域内潜在应用的第一步,该研究小组已经在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究报告。

    当智能手机接收数据、计算机芯片进行计算时,在这一过程中,一定会涉及在清晰路径上发送电子的交变电场。更高的场频率意味着电子可以更快地完成它们的工作,从而实现更高的数据传输速率和更高的处理器速度。但是,目前这一速度的上限天花板就止于太赫兹范围,这也是为什么全世界的研究人员都渴望了解太赫兹场如何与新材料相互作用的原因。“我们在HZDR的TELBE太赫兹设备是详细研究这些相互作用和识别有前途的材料的杰出来源,”HZDR辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert表示,“例如,一种可能的候选物质就是砷化镉。”

    这位物理学家与来自德累斯顿(Dresden)、科隆(Cologne)和上海(Shanghai)的研究人员一起对这种化合物进行了深入研究。砷化镉(Cd3As2)属于所谓的三维狄拉克材料,其电子可以非常迅速、有效地进行相互作用,也可以与快速振荡的交变电场进行相互作用。 “我们特别感兴趣的是,在新的、更高的频率范围内,砷化镉是否也可以同样发射太赫兹光波,”TELBE太赫兹设备光束线科学家Sergey Kovalev解释到,“我们已经在石墨烯(二维狄拉克材料)中非常成功地观察到了这一点。”鉴于砷化镉的三维电子结构,研究人员们疑心这将有助于更为高效的转换。

    为了测试这一点,专家们使用了一种特殊的工艺,从砷化镉中生产出了超薄高纯度片晶,再采用TELBE设备的太赫兹脉冲对其进行处理。片晶后面的探测器则记录了砷化镉对辐射脉冲的反应。实验结果是:“我们能够证明,砷化镉是一种高效的倍频器,即使在TELBE可以产生很强的太赫兹脉冲的情况下,它也不会失去效率。”HZDR前研究员,目前就职于科隆大学的王哲(音译)谈到。这个实验还是第一次在较新的材料中展示出太赫兹倍频到七次谐波的现象。

    按自己节拍跳舞的电子

    除了实验证据,这个团队与来自Max Planck物理研究所(Max Planck Institute for the Physics)复杂系统物理学的研究人员通力合作,提供了这一现象的详细理论描述:击中砷化镉的太赫兹脉冲会产生很强的电场。“此电场加速了材料中的自由电子,” Deinert描述到:“想象一下,在一个不断来回倾斜、摇晃的盘子上快速滚动的大量微小钢球。”

    砷化镉中的电子通过发射电磁辐射来响应这种加速。关键的是,它们并不完全遵循太赫兹场的节奏,而是在更复杂的路径上振荡,这是材料不同寻常的电子结构的结果。结果就是,电子发射新的太赫兹脉,数量是原始频率的奇数整数倍——有点类似于钢琴的非线性效应:当你按下键盘上的一个琴键A,不仅你按的那个声音会出现,也会出现丰富的泛音谱,就是合弦。

    为了5G-后的世界

    这一现象为未来的许多应用带来了希望,例如在无线通信中,无线通信趋向于应用更高的无线电频率,因为这可以传输比今天的传统信道多得多的数据。该行业目前正在推出5G标准。由狄拉克材料制成的组件,有朝一日会使用更高的频率——从而实现比5G更大的带宽。这种新型材料似乎也会引起未来计算机的兴趣,因为理论上,基于狄拉克材料的组件可以比现在基于硅的技术提供更高更精确的时钟频率。

    但首先,它背后的基础科学需要进一步研究。王哲(音译)强调说:“我们的研究结果只是第一步。在我们设想出具体的应用之前,我们需要提高新材料的效率。为此,专家们想通过电流来弄清楚他们控制频率倍增的效果到底如何。而且他们想让样品丰富化,譬如,加入外来原子,以期待非线性变频的优化。

 
 

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