» » Туннелирование в графене обеспечивает связь

Туннелирование в графене обеспечивает связь

Создан способный работать в терагерцовом диапазоне частот очень чувствительный детектор радиосигнала, использующий туннельный эффект в транзисторе на базе графена.

Физики Московского физико-технического института, Московского педагогического государственного университета и университета Манчестера разработали высокочувствительный детектор терагерцового радиосигнала (диапазон частот примерно 3·1011–3·1012 Гц) на основе туннельного эффекта в графене. Чувствительность устройства уже превосходит коммерчески доступные аналоги на основе полупроводников и сверхпроводников, что открывает перспективы его использования в беспроводных коммуникациях, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Туннелирование в графене обеспечивает связь
Художественное изображение туннельного транзистора в виде «сэндвича» из двух слоев графена с «начинкой» в виде нитрида бора и дисульфида молибдена (Университет Манчестера) . Открыть в полном размере ‹ ›

Передача информации с помощью электромагнитных волн основана на изменении параметров несущей непрерывной высокочастотной волны в соответствии с передаваемым информационным сигналом. Этот процесс называется модуляцией. Так, для передачи цифровой информации можно создавать последовательность отрезков излучения — битов информации. Чтобы передавать информацию быстрее, надо чаще формировать эти отрезки, то есть увеличивать частоту модуляции. При этом длительность отрезков уменьшается, и необходимо одновременно увеличивать и частоту заполняющего их несущего излучения.

Если привычное FM-радио использует радиоволны на частотах в сотни мегагерц, то несущая частота Wi-Fi-передатчика составляет уже около пяти гигагерц, а для мобильных систем передачи данных поколения 5G эта частота доходит до двадцати гигагерц. И это далеко не предел, поскольку дальнейшее повышение несущей частоты обещает в перспективе соответствующее увеличение скорости передачи данных. Однако работать с сигналами, имеющими частоту в сотни гигагерц и выше, значительно сложнее, чем с сигналами на более низких частотах.

Традиционный приёмник радиосигнала состоит из усилителя на основе транзистора и детектора (демодулятора), «извлекающего» полезный сигнал из высокочастотного модулированного тока. Эта схема, прекрасно работающая на радио и телевидении, становится неэффективной на планируемых для мобильных систем частотах в сотни гигагерц. Дело в том, что большинство существующих транзисторов не способны работать на столь высокой частоте.

Большинство исследователей пытаются решить эту проблему увеличением быстродействия транзисторов. Альтернативный путь теоретически предложили в начале 1990-х годов физики Михаил Дьяконов и Михаил Шур. Он заключается в использовании транзистора не для усиления, а для детектирования сигнала. Реализовать этот подход на практике впервые удалось авторам данной работы в 2018 году. Тогда они использовали обычный полевой транзистор. В этом полупроводниковом устройстве током, идущим по каналу от истока к стоку, можно управлять напряжением, прикладываемым к затвору. Его работа напоминает управление потоком воды с помощью крана, играющего роль затвора.

Сейчас же исследователи показали, что терагерцовый сигнал очень эффективно можно детектировать с помощью особого вида полевых транзисторов, который называется туннельным. В них электроны для создания тока должны преодолевать электрический барьер между истоком и стоком благодаря туннельному эффекту. Это исключительно квантовое явление, поскольку с точки зрения классической физики этот барьер для электронов непреодолим. Подача напряжения на затвор приводит к изменению энергетических уровней электронов в истоке и канале, что меняет вероятность туннелирования и, соответственно, величину тока. Отличительная черта туннельного транзистора – очень сильная чувствительность к управляющему напряжению. Ведь даже небольшой «расстройки» энергетических уровней достаточно, чтобы прервать процесс туннелирования или наоборот «включить» его.

В последнее десятилетие туннельные полевые транзисторы нашли применение в низковольтных электрических и оптических переключателях, химических и биологических датчиках. Однако для детектирования высокочастотных сигналов они пока не использовались. Это даже удивительно, учитывая недавние достижения в разработке туннельных высокочастотных выпрямителей, диодов и сверхпроводящих туннельных переходов,

В данной работе исследователи решили проблему с помощью туннельного полевого транзистора, имеющего вид «сэндвича» из двух слоёв графена с «начинкой» из нитрида бора и дисульфида молибдена. Он был изобретён в 2012 году командой под руководством нобелевских лауреатов Андрея Гейма (один из авторов этого исследования) и Константина Новосёлова. Графен обладает целым рядом свойств, важных для создания подобных устройств.

Эксперимент подтвердил разработанную теорию детектирования и показал, что по чувствительности созданный детектор на несколько порядков превосходит «классическое» устройство. Минимальный сигнал, различаемый им на фоне шума, уже конкурирует с аналогичным показателем у коммерчески доступных сверхпроводниковых и полупроводниковых болометров (датчиков излучения). Однако авторы уверены, что чувствительность детектора может быть увеличена на пару порядков.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований.

По пресс-релизу МФТИ.

06 февраль 2021 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Ультрахолодную молекулу собрали в оптическом пинцете

Физики поставили молекулу под свой полный контроль, охладив её почти до абсолютного нуля.

Использование квантовых свойств света для передачи информации

Разработка квантовой сети, предназначенной для использования физических свойств света и материи, характеризуемых квантовой механикой, обещает более быстрые способы связи

Сверхточная метрология приближается к темной материи

Оптические часы настолько точны, что, по оценкам, потребуется 20 миллиардов лет - больше,

Создан способ передачи сигнала через человеческие ткани

Команда разработчиков продемонстрировала работу безопасного для живых организмов метода передачи сигнала на импланты, размещенные внутри биологической ткани.

Японцы реализовали полную квантовую телепортацию

Новый метод позволяет перейти от вероятностной передачи квантовых битов на расстоянии к детерминированной — без помех и нужды в последующем измерении. Вас это не удивляет, потому что первая квантовая

Интересные факты о радио

Надо ли говорить, насколько сильно и бесповоротно изобретение радио изменило историю человеческой цивилизации.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Замечательная история о том, почему наследник британского престола носит титул принца Уэльского5 ситуаций, когда кнопочный телефон лучше смартфонаКакое самое плохое решение в истории было принято человеком?Сколько всего опасных динозавров жило на Земле за всю историю?В Австралии найдена самая тяжелая бабочка с огромными крыльямиЧем занять детей в период коронавируса?Все про жесткость ортопедического матрасаКак выбрать качественный матрас для комфортного сна