Quantum Tunneling di Graphene Memajukan era Komunikasi Nirkabel Kecepatan Tinggi Terahertz

Terowongan kuantum. Kredit: Daria Sokol / Kantor Pers MIPT

Ilmuwan dari MIPT, Moscow State Pedagogical University dan University of Manchester telah menciptakan detektor terahertz yang sangat sensitif berdasarkan efek terowongan kuantum di graphene. Sensitivitas perangkat ini sudah lebih unggul dari analog yang tersedia secara komersial berdasarkan semikonduktor dan superkonduktor, yang membuka prospek untuk aplikasi detektor graphene dalam komunikasi nirkabel, sistem keamanan, astronomi radio, dan diagnostik medis. Hasil pencarian dipublikasikan dalam jurnal berkualitas tinggi Komunikasi Alam.

Transfer informasi melalui jaringan nirkabel didasarkan pada transformasi gelombang elektromagnetik frekuensi tinggi terus menerus menjadi urutan bit diskrit. Teknik ini dikenal sebagai modulasi sinyal. Untuk mentransfer bit lebih cepat, seseorang harus meningkatkan frekuensi modulasi. Namun, ini membutuhkan peningkatan frekuensi secara sinkronis. Radio FM umum memancarkan pada frekuensi seratus megahertz, penerima Wi-Fi menggunakan sinyal dengan frekuensi sekitar lima gigahertz, sementara jaringan seluler 5G dapat mengirimkan hingga 20 sinyal gigahertz.

Ini jauh dari batas, dan peningkatan lebih lanjut dalam frekuensi pembawa memungkinkan peningkatan kecepatan transfer data secara proporsional. Sayangnya, pengambilan sinyal dengan frekuensi ratusan gigahertz dan lebih tinggi merupakan masalah yang semakin menantang.

Penerima tipikal yang digunakan dalam komunikasi nirkabel terdiri dari penguat berdasarkan transistor sinyal lemah dan demodulator yang memperbaiki urutan bit dari sinyal termodulasi. Skema ini lahir di era radio dan televisi, dan menjadi tidak efisien pada ratusan frekuensi gigahertz yang diinginkan untuk sistem seluler. Faktanya adalah bahwa sebagian besar transistor yang ada tidak cukup cepat untuk mengisi ulang pada frekuensi setinggi itu.

Cara evolusioner untuk mengatasi masalah ini hanya dengan meningkatkan frekuensi operasi maksimum transistor. Sebagian besar spesialis di bidang nanoelectronics bekerja keras ke arah ini. Sebuah cara revolusioner untuk memecahkan masalah secara teoritis diusulkan pada awal 1990-an oleh fisikawan Michael Dyakonov dan Michael Shur, dan dilakukan, antara lain, oleh kelompok penulis pada tahun 2018. Ini melibatkan pengabaian amplifikasi aktif dari transistor, dan meninggalkan a demodulator terpisah. Yang tersisa di rangkaian adalah transistor tunggal, tetapi perannya sekarang berbeda. Ini mengubah sinyal termodulasi menjadi urutan bit atau sinyal suara dengan sendirinya, karena hubungan non-linier antara penurunan arus dan tegangannya.

Dalam penelitian ini, penulis telah mendemonstrasikan bahwa deteksi sinyal terahertz sangat efisien dalam apa yang disebut transistor efek medan terowongan. Untuk memahami kerjanya, kita hanya dapat mengingat prinsip relai elektromekanis, di mana aliran arus melalui kontak kontrol mengarah ke koneksi mekanis antara dua konduktor dan, oleh karena itu, ke munculnya arus. Dalam transistor tunneling, penerapan tegangan ke kontak kontrol (disebut “gerbang”) mengarah pada penyelarasan tingkat energi sumber dan saluran. Ini juga mengarah pada aliran arus. Ciri khas transistor tunneling adalah kepekaannya yang sangat kuat terhadap tegangan kontrol. Bahkan “pelepasan” tingkat energi yang kecil sudah cukup untuk menghentikan proses halus penerowongan mekanis kuantum. Demikian pula, tegangan kecil di gerbang kontrol dapat “menghubungkan” level dan memulai arus tunneling.

“Ide reaksi kuat dari transistor tunneling tegangan rendah telah dikenal selama sekitar lima belas tahun,” kata Dr. Dmitry Svintsov, salah satu penulis studi, kepala Laboratorium Bahan 2D untuk Optoelektronik di pusat MIPT untuk Bahan fotonik dan 2D. “Tapi ini hanya diketahui dalam komunitas elektronik berdaya rendah. Tidak ada yang memahami sebelum kami bahwa properti transistor tunneling yang sama dapat diterapkan dalam teknologi detektor terahertz. Georgy Alymov (salah satu penulis studi) dan Saya cukup beruntung untuk bekerja di kedua bidang. Kami kemudian memahami: jika transistor dibuka dan ditutup pada kontrol sinyal daya rendah, maka sebaiknya mengambil sinyal lemah dari lingkungan sekitar juga baik. “

Perangkat yang dibuat didasarkan pada bistro graphene, bahan unik di mana posisi tingkat energi (lebih tepatnya, struktur pita) dapat dikontrol dengan tegangan listrik. Ini memungkinkan penulis untuk beralih antara transpor klasik dan transpor penerowongan kuantum dalam satu perangkat, dengan hanya perubahan polaritas tegangan di seluruh kontak kontrol. Kemungkinan ini sangat penting untuk perbandingan akurat dari kapasitas deteksi transistor tunneling klasik dan kuantum.

Eksperimen menunjukkan bahwa sensitivitas perangkat dalam mode tunneling beberapa lipat lebih tinggi daripada mode transportasi klasik. Sinyal minimum yang dapat dibedakan dari detektor dengan latar belakang yang berisik telah bersaing dengan yang ada pada bolometer superkonduktor dan semikonduktor yang tersedia secara komersial. Namun, ini bukan batasnya – sensitivitas detektor dapat ditingkatkan lebih jauh dalam perangkat “pembersih” dengan konsentrasi sisa kotoran yang rendah. Teori deteksi yang dikembangkan, diuji oleh eksperimen, menunjukkan bahwa sensitivitas detektor “optimal” bisa seratus kali lebih tinggi.

“Fitur terkini memberi harapan besar untuk terciptanya detektor yang cepat dan sensitif untuk komunikasi nirkabel,” kata penulis penelitian, Dr. Denis Bandurin. Dan ruang ini tidak terbatas pada graphene dan tidak terbatas pada transistor terowongan. Kami berharap, dengan keberhasilan yang sama, detektor yang relevan dapat dibuat, misalnya, berdasarkan transisi fase yang dikontrol secara elektrik. Graphene telah terbukti menjadi landasan peluncuran yang baik di sini, hanya sebuah pintu, di belakangnya terdapat seluruh dunia penelitian baru yang menarik. »

Hasil yang disajikan dalam makalah ini adalah contoh kolaborasi yang berhasil antara beberapa kelompok penelitian. Para penulis mencatat bahwa bentuk karya inilah yang memungkinkan mereka memperoleh hasil ilmiah kelas dunia. Misalnya, sebelumnya, tim ilmuwan yang sama mendemonstrasikan bagaimana gelombang di lautan elektron graphene dapat berkontribusi pada pengembangan teknologi terahertz. “Di era teknologi yang berkembang pesat, menjadi semakin sulit untuk mencapai hasil kompetitif.” – komentar Dr. Georgy Fedorov, Wakil Kepala Laboratorium Bahan Nanokarbon, MIPT, “Hanya dengan menggabungkan upaya dan keterampilan dari beberapa kelompok kita dapat berhasil menyelesaikan tugas tersulit dan mencapai tujuan paling ambisius, yang akan terus kita lakukan .. “

Referensi: “Transistor efek medan terowongan untuk mendeteksi terahertz sensitif” oleh I. Gayduchenko, SG Xu, G. Alymov, M. Moskotin, I. Tretyakov, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Goltsman, AK Geim, G Fedorov, D. Svintsov dan DA Bandurin, 22 Januari 2021, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038 / s41467-020-20721-z

Pekerjaan ini didukung oleh Yayasan Sains Rusia (hibah # 16-19-10557) dan oleh Yayasan Rusia untuk Penelitian Dasar (hibah # 18-29-20116 mk).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Topan Super Surigae menyulut Pasifik

19 April 2021 Topan super mencapai intensitas ekstrem setahun lebih banyak daripada badai era satelit mana pun. Surigae tidak akan mendarat, tetapi topan yang muncul di...

Mekanisme fotoenzim kunci yang diuraikan

Kesan artis tentang katalisis enzimatik yang diusulkan dalam mekanisme fotodekarboksilase asam lemak (Sains 2021). Kredit: Damien Sorigué Pengoperasian enzim FAP, yang berguna untuk memproduksi...

DOE Mendorong Investasi A.S. yang Agresif dalam Energy Fusion

Sinar laser energi tinggi NIF berkumpul di target di tengah kamera target. Keberhasilan mendapatkan penyalaan fusi akan menjadi langkah maju yang besar dalam...

Fisikawan menciptakan bit kuantum yang dapat mencari materi gelap

Sebuah qubit (persegi panjang kecil) dipasang pada tingkat kebiruan, yang berada di atas jari untuk menunjukkan skala. Ilmuwan di Farmland Universitas Chicago menggunakan...

Ahli paleontologi memperkirakan bahwa 2,5 miliar T. rex menjelajahi Bumi selama periode Kapur

Untuk semua mereka yang terlambatKapur Menurut sebuah studi baru, jumlah total tyrannosaurus yang pernah hidup di Bumi adalah sekitar 2,5 miliar individu, di mana...

Newsletter

Subscribe to stay updated.