Вчені з МФТІ, Московського педагогічного державного університету та Манчестерського університету створили високочутливий терагерцевий детектор, заснований на ефекті квантово-механічного тунелювання в графені.
За чутливістю пристрій вже перевершує комерційно доступні аналоги на основі напівпровідників і надпровідників, що відкриває перспективи застосування графенового детектора в бездротовому зв'язку, системах безпеки, радіоастрономії та медичної діагностики. Результати дослідження опубліковані в Nature Communications.
Передача інформації в бездротових мережах заснована на перетворенні високочастотної безперервної електромагнітної хвилі в дискретну послідовність бітів. Цей метод відомий як модуляція сигналу.
Для швидшої передачі бітів необхідно збільшити частоту модуляції. Однак для цього потрібно синхронне збільшення несучої частоти. Звичайне FM-радіо передає на частотах до ста мегагерц, приймач Wi-Fi використовує сигнали з частотою приблизно п'ять гігагерц, а мобільні мережі 5G можуть передавати сигнал до 20 гігагерц. Це далеко не межа, і подальше збільшення несучої частоти допускає пропорційне збільшення швидкості передачі даних. На жаль, прийом сигналів з частотами в сотні гігагерц і вище стає все більш складним завданням.
Типовий приймач, який використовується у бездротовому зв'язку, складається з транзисторного підсилювача слабких сигналів і демодулятора, який випрямляє послідовність бітів з модульованого сигналу. Ця схема виникла в епоху радіо і телебачення і стає неефективною на частотах у сотні гігагерц, бажаних для мобільних систем. Справа в тому, що більшість існуючих транзисторів недостатньо швидкі, щоб працювати на такій високій частоті.
Еволюційний шлях вирішення цієї проблеми - просто збільшити максимальну робочу частоту транзистора. Більшість фахівців в області наноелектроніки активно працюють в цьому напрямку. Революційний спосіб вирішення проблеми був теоретично запропонований на початку 1990-х років фізиками Михайлом Дьяконовим і Майклом Шуром і реалізований, в тому числі, групою авторів у 2018 році. Він передбачає відмову від активного посилення транзистором і відмову від окремого демодулятора. У схемі залишився один транзистор, але тепер його роль змінилася. Він сам перетворює модульований сигнал на бітову послідовність або мовний сигнал через нелінійну залежність між його струмом і падінням напруги.
У справжній роботі автори довели, що виявлення терагерцевого сигналу дуже ефективно в так званому тунельному польовому транзисторі. Щоб зрозуміти його роботу, достатньо згадати принцип роботи електромеханічного реле, де проходження струму через керуючі контакти призводить до механічного з'єднання двох провідників і, отже, до виникнення струму.
У тунельному транзисторі подача напруги на керуючий контакт (званий «затвор») призводить до вирівнювання рівнів енергії джерела і каналу. Це також призводить до протікання струму. Відмінною особливістю тунельного транзистора є дуже висока чутливість до керуючої напруги. Навіть невеликої «розлади» енергетичних рівнів достатньо, щоб перервати тонкий процес квантово-механічного тунелювання.
«Ідея сильної реакції тунельного транзистора на низькі напруги відома близько п'ятнадцяти років», - говорить Дмитро Свинцов, один з авторів дослідження, керівник лабораторії оптоелектроніки почесних матеріалів у центрі МФТІ.
"Але про це відомо тільки в спільноті малопотужної електроніки. Ніхто до нас не розумів, що ту ж властивість тунельного транзистора можна застосувати в технології терагерцевих детекторів. Ми зрозуміли: якщо транзистор відкривається і закривається при малій потужності керуючого сигналу, він також повинен добре вловлювати слабкі сигнали з навколишнього середовища ".
Новий пристрій створено на основі двошарового графена - унікального матеріалу, в якому положенням енергетичних рівнів (точніше, зонною структурою) можна керувати за допомогою електричної напруги. Це дозволило авторам перемикатися між класичним методом і квантовим тунелюванням в одному пристрої, просто змінюючи полярності напруги на керуючих контактах. Ця можливість надзвичайно важлива для точного порівняння детектуючої здатності класичного і квантового тунельного транзистора.
Експеримент показав, що чутливість пристрою в тунельному режимі на кілька порядків вища, ніж у класичному режимі. Мінімальний сигнал, різний детектором на галасливому тлі, вже становить конкуренцію комерційно доступним надпровідним і напівпровідниковим болометрам.
Однак це не межа - чутливість детектора можна додатково підвищити в «більш чистих» приладах з низькою концентрацією залишкових домішок. Розроблена теорія виявлення, перевірена експериментально, показує, що чутливість оптимального детектора може бути в сотні разів вище.
«Поточні характеристики вселяють великі надії на створення швидких і чутливих детекторів для бездротового зв'язку», - говорить автор роботи Денис Бандурін. І ця область не обмежується графеном і не обмежується тунельними транзисторами. Ми очікуємо, що з таким же успіхом можна буде створити чудовий детектор, наприклад, на основі електрично керованого фазового переходу. Графен опинився тут просто гарним стартовим майданчиком, просто дверима, за якою ховається цілий світ нових цікавих досліджень ".
Результати, представлені в цій статті, є прикладом успішної співпраці між кількома дослідницькими групами. Автори зазначають, що саме такий формат роботи дозволяє їм отримувати наукові результати світового рівня.
