来源：德国比勒费尔德大学 (Bielefeld University)；太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

将控制电压应用于石墨烯，可实现对电流频率转换的控制。来源：Juniks, Dresden, CC-BY

    如何才能尽快速度地传输或处理大量数据?其中一个关键点可能在于石墨烯。这种超薄材料只有一个原子层厚，由于量子效应，它所包含的电子具有非常特殊的性质。因此，它可能非常适用于高性能电子元件。然而，到目前为止，如何有效控制石墨烯的某些特性人类还缺乏充足知识。来自德国比勒费尔德大学 (Bielefeld University)和柏林的科学家团队，以及来自其它德国与西班牙众多研究机构的研究人员，他们进行的一项新研究正在改变这种情况。研究团队近期已把他们的研究成果发表在了《科学进展》(Science Advances)杂志上。

    由碳原子组成的石墨烯是一种厚度仅为一个原子的材料，其原子排列于六角形晶格内。这样的原子排列方式使得石墨烯具有非同凡响的独特性：当其材料内部的电子运动起来时，就仿佛没有质量一般。这种“无质量”电子行为让石墨烯具有很高的导电性。而且，更为重要的是，这种特性在室温和其他环境条件下都能保持，因此，石墨烯在现代电子领域的应用将可能十分有意思。

    最近研究人员发现，石墨烯的高电子导电性以及其电子的“无质量”性使之可以改变通过其自身电流的频率成分。这种性质在很大程度上取决于电流的强度。在现代电子学中，这种非线性所包含的最基本功能之一就是转换和处理电信号。石墨烯的独特之处就是它的非线性是迄今为止所有电子材料中最强大的。此外，它对于极高电子频率非常有效，因此完全可将其延伸到技术上非常重要的太赫兹(THz)范围，这是大多数传统电子材料都无法实现的特点。

    在他们的新研究中，来自德国和西班牙的研究团队证明，通过对材料施以相对温和的电压，可以非常有效地控制石墨烯的非线性。为此，研究人员制造了一种类似晶体管的设备，通过一组电触点，可在石墨烯上施以控制电压。然后，利用该设备传输超高频太赫兹信号:之后再分析这些信号的传输和后续转换与所施电压的关系。研究人员发现，石墨烯在某个特定电压下变得几乎完全透明——其通常强烈的非线性响应几乎消失。通过从这个临界值略微增加或降低电压，石墨烯可以变成一种强非线性材料，显著改变太赫兹电子信号发射与传输的强度和频率成分。

    “这是在电信号处理和信号调制中实现石墨烯应用的重要一步，”比勒费尔德大学物理学家，同时也是该研究的负责人之一Dmitry Turchinovich教授说到， “早些时候，我们已经证明了，石墨烯是迄今为止大家所能知道的最非线性的功能材料。我们还了解到非线性背后的物理原因，这就是现在众所周知的石墨烯中超快电子传递的热力学图。但直到现在，我们还不知道如何控制这种非线性，这是今后如果要将石墨烯技术应用到日常生活中所缺少的一环。”

    “通过对施加在石墨烯上电压的控制,我们能改变材料中接受电信号时可以自由移动电子的数量，”哈桑 . 哈菲兹博士解释到。哈菲兹博士是比勒费尔德大学Turchinovich教授（博士）的实验室成员与该论文的主要作者之一。“一方面，响应电场的电子数量越多，电流就越强，这应该会增强其非线性。但另一方面，可用的自由电子越多，它们之间的相互作用也就越强，这又会抑制非线性。在这里，我们从实验和理论两方面证明了，只需要施以仅有几伏的相对较弱的外部电压，就可以创造出石墨烯中最强太赫兹非线性的最佳条件。”

    “通过这项研究工作，在将石墨烯作为一种非常有效的非线性功能量子材料用于太赫兹频率转换器、混合器、调节器的道路上，我们取得了一个重要的里程碑，” 来自德国航空航天中心(DLR)光学传感器系统研究所和柏林技术大学（Technical University of Berlin）的迈克尔•根施教授说到，他也是这项研究的另一位负责人。“这一点非常重要，因为石墨烯与现有的电子超高频半导体技术(如CMOS或Bi-CMOS)完全兼容。因此，现在完全可以展望今后会诞生一种混合设备，它会采用现有的半导体技术，以较低的频率产生初始电信号，但也能在石墨烯更高太赫兹频率中高效转换，这一切都应该完全可控，完全可预测。”

    来自德国比勒费尔德大学（Bielefeld University）、德国航天中心光学传感器系统研究所（the Institute of Optical Sensor Systems of the DLR）、柏林工业大学（Tech-nical University of Berlin）、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（Helmholtz Center Dresden-Rossendorf,）以及德国马克斯•普朗克聚合物研究所（Max Planck Institute for Polymer Research）的研究人员，加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所(ICN2)和西班牙光子科学研究所(ICFO)都参与了这项研究。