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石墨烯中的量子隧穿技术推进了太赫兹无线通信时代
发布时间:2021-03-15 21:07:33 阅读:175

来源:MIPT(莫斯科物理技术学院);电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 张迁 编译

量子隧穿 来源:Daria Sokol/MIPT

    MIPT(莫斯科物理技术学院)、莫斯科国立师范大学和曼彻斯特大学的科学家们基于石墨烯中的量子隧穿效应,研制了一种高灵敏度的太赫兹探测器。该装置的灵敏度优于基于半导体和超导体的商用探测器,这为石墨烯探测器在无线通信、安全系统、射电天文学和医疗诊断等领域开辟了应用前景。研究结果发表在了《自然通讯》杂志上。

    无线网络中的信息传输是基于高频连续电磁波转换成的离散的信号序列。也被称为信号调制。为了更快地传输信息,我们必须提高调制频率。然而,这需要同步增加载波频率。普通的调频无线电传输频率为100MHz,Wi-Fi接收器使用的信号频率约为5KMHz,而5G移动网络可以传输高达20KMHz的信号。载波频率还有很大提升空间,而且进一步增加频率也会相应地增加数据传输速率。然而,接收千兆赫甚至更高频率的信号是一个越来越具有挑战性的问题。

    无线通信中常用的接收机包括一个基于晶体管的弱信号放大器和一个将调制信号中的信息提取出来的解调器。这种方法起源于无线电和电视时代,在移动系统所需的数百千兆赫的频率上变得低效。但是大多数晶体管都不能在这么快的频率下充放电。

    解决充放电问题的传统方法就是增加晶体管的最大工作频率。纳米电子学领域的大多数专家都在朝着这个方向努力研究。而在20世纪90年代初,物理学家Michael Dyakonov和Michael Shur在理论上提出了解决这一问题的革命性方法,并在2018年实现。这种方法没有使用有源放大晶体管和解调器。电路中剩下的是一个单晶体管,它的作用与之前不同。由于其电流与电压降之间的非线性关系,它可以自行将调制信号转换成位序列或声音信号。

    在目前的研究中,作者证明了在所说的隧穿场效应晶体管中检测太赫兹信号是非常有效的。它的工作原理和机电继电器的原理类似:电流通过控制触点,导致两根导体之间的机械连接,从而产生电流。在隧穿晶体管中,在控制触点(称为“门”)上施加电压可使源极和通道的能级对齐。这也会导致电流的流动。隧穿晶体管的一个显著特点是它对控制电压非常敏感。即使是一个很小的能级“失谐”,也足以中断量子力学隧穿的微妙过程。类似地,在控制门处的一个小电压能够“连接”电平并启动隧穿电流。

    MIPT光子学与二维材料中心二维材料光电子学实验室主任,这项研究的作者之一,Dmitry Svintsov博士说:“隧穿晶体管对于低电压的强烈反应被发现已经有十五年了, 不过它只在低功率电子领域被人所知。在我们之前,没有人意识到隧穿晶体管的同样特性可以应用于太赫兹探测器技术。我和Georgy Alymov(这项研究的合著者)很幸运地在这两个领域都工作过,然后我们意识到:如果晶体管在低功率的控制信号下开启和关闭,那么它也应该能很好地接收周围环境的微弱信号。”

    这种装置基于双层石墨烯,这种独特的材料可以通过电压来控制能级的位置(更严格地说,是能带结构)。这使得作者能够在单个器件中在经典传输和量子隧穿传输之间切换,而只需要改变控制触点处的电压极性。这种可能性对于精确比较经典晶体管和量子隧穿晶体管的探测能力是极其重要的这种装置基于双层石墨烯,这种独特的材料可以通过电压来控制能级的位置(更严格地说,是能带结构)。这就可以通过改变控制触点处的电压极性让单个器件中在经典传输和量子隧穿传输之间切换。这种可能性对于精准比较经典晶体管和量子隧穿晶体管的探测能力是极其重要的。

    实验表明,在隧道模式下器件的灵敏度比在经典传输模式下高几个数量级。探测器在噪声背景下所能识别的最小信号已经与商用超导和半导体辐射热计比拟。然而,这并不是极限——探测器的灵敏度可以在残留杂质浓度较低的“清洁”设备中进一步提高。对所提出的检测理论进行了实验验证,表明检测器的灵敏度可以提高100倍。

    这项研究的作者Denis Bandurin博士说:“目前的特性给研制快速、灵敏的无线通信探测器带来了很大的希望。同时,这个领域并不局限于石墨烯,也不局限于隧道晶体管。我们期望,通过这种方法,可以研制出来更好的探测器,例如,基于电子控制的相变。事实证明,石墨烯只是一个很好的发射台,只是一扇门,背后是整个令人兴奋的新研究世界。”

    本文介绍的结果是几个研究小组之间成功合作的一个例子。作者指出,正是合作这种工作形式使他们获得了世界一流的科学成果。例如,早些时候同一组科学家就演示了石墨烯电子海中的电磁波如何对太赫兹技术的发展做出贡献。“在一个快速发展的科技时代,单独研究变得越来越难。” MIPT的碳纳米材料实验室副主任 Georgy Fedorov博士认为:“只有汇聚起各个科研小组的力量和专业知识,我们才能成功实现最艰巨的任务和最远大的目标,我们将继续合作。”

 
 

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