Scienziati del MIPT (Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca), La Moscow Pedagogical State University e l'Università di Manchester hanno creato un rivelatore terahertz altamente sensibile basato sull'effetto del tunneling quanto-meccanico nel grafene. La sensibilità del dispositivo è già superiore agli analoghi disponibili in commercio basati su semiconduttori e superconduttori, che apre prospettive per le applicazioni del rilevatore di grafene nelle comunicazioni wireless, sistemi di sicurezza, radioastronomia, e diagnostica medica. I risultati della ricerca sono pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Il trasferimento di informazioni nelle reti wireless si basa sulla trasformazione di un'onda elettromagnetica continua ad alta frequenza in una sequenza discreta di bit. Questa tecnica è nota come modulazione del segnale. Per trasferire i bit più velocemente, bisogna aumentare la frequenza di modulazione. Però, ciò richiede un aumento sincrono della frequenza portante. Una comune radio FM trasmette a frequenze di cento megahertz, un ricevitore Wi-Fi utilizza segnali di circa cinque gigahertz di frequenza, mentre le reti mobili 5G possono trasmettere fino a 20 gigahertz di segnali. Questo è lontano dal limite, e un ulteriore aumento della frequenza della portante ammette un aumento proporzionale delle velocità di trasferimento dei dati. Sfortunatamente, captare segnali con frequenze di centinaia di gigahertz e oltre è un problema sempre più impegnativo.

Un tipico ricevitore utilizzato nelle comunicazioni wireless è costituito da un amplificatore a transistor di segnali deboli e un demodulatore che rettifica la sequenza di bit dal segnale modulato. Questo schema è nato nell'era della radio e della televisione, e diventa inefficiente a frequenze di centinaia di gigahertz desiderabili per i sistemi mobili. Il fatto è che la maggior parte dei transistor esistenti non sono abbastanza veloci da ricaricarsi a una frequenza così elevata.

Un modo evolutivo per risolvere questo problema è proprio quello di aumentare la frequenza massima di funzionamento di un transistor. La maggior parte degli specialisti nel campo della nanoelettronica lavora molto in questa direzione. Un modo rivoluzionario per risolvere il problema è stato teoricamente proposto all'inizio degli anni '90 dai fisici Michael Dyakonov e Michael Shur, e realizzato, tra gli altri, dal gruppo di autori nel 2018. Implica l'abbandono dell'amplificazione attiva tramite transistor, e abbandonando un demodulatore separato. Quello che resta nel circuito è un singolo transistor, ma il suo ruolo ora è diverso. Trasforma un segnale modulato in sequenza di bit o segnale vocale da solo, a causa della relazione non lineare tra la sua corrente e la caduta di tensione.

Nel presente lavoro, gli autori hanno dimostrato che la rivelazione di un segnale terahertz è molto efficiente nel cosiddetto transistor ad effetto di campo tunneling. Per capire il suo lavoro, si può solo ricordare il principio di un relè elettromeccanico, dove il passaggio di corrente attraverso i contatti di comando porta ad un collegamento meccanico tra due conduttori e, quindi, all'emergere della corrente. In un transistor tunneling, l'applicazione di tensione al contatto di controllo (denominato ''gate'') porta all'allineamento dei livelli di energia della sorgente e del canale. Questo porta anche al flusso di corrente. Una caratteristica distintiva di un transistor tunneling è la sua forte sensibilità al controllo della tensione. Anche un piccolo "detuning" dei livelli di energia è sufficiente per interrompere il sottile processo di tunneling meccanico quantistico. Allo stesso modo, una piccola tensione al gate di controllo è in grado di "connettere" i livelli e avviare la corrente di tunneling.

"L'idea di una forte reazione di un transistor tunnel alle basse tensioni è nota da circa quindici anni, " dice il dottor Dmitry Svintsov , uno degli autori dello studio, responsabile del laboratorio di optoelettronica dei materiali bidimensionali presso il centro MIPT per la fotonica ei materiali 2-D. "Ma è noto solo nella comunità dell'elettronica a bassa potenza. Nessuno si è reso conto prima di noi che la stessa proprietà di un transistor a effetto tunnel può essere applicata alla tecnologia dei rilevatori di terahertz. Georgy Alymov (coautore dello studio) e io abbiamo avuto la fortuna di lavorare in entrambe le aree.Ci siamo resi conto allora:se il transistor viene aperto e chiuso a bassa potenza del segnale di controllo, quindi dovrebbe essere anche bravo a captare segnali deboli dall'ambiente circostante. "

Il dispositivo creato è basato su grafene a doppio strato, un materiale unico in cui la posizione dei livelli energetici (più propriamente, la struttura a bande) può essere controllato utilizzando una tensione elettrica. Ciò ha permesso agli autori di passare dal trasporto classico al trasporto a tunnel quantistico all'interno di un singolo dispositivo, con solo un cambiamento delle polarità della tensione ai contatti di controllo. Questa possibilità è di estrema importanza per un confronto accurato della capacità di rilevamento di un transistor a tunneling classico e quantistico.

L'esperimento ha mostrato che la sensibilità del dispositivo nella modalità tunneling è di pochi ordini di grandezza superiore a quella nella modalità di trasporto classica. Il segnale minimo distinguibile dal rivelatore sullo sfondo rumoroso compete già con quello dei bolometri superconduttori e semiconduttori disponibili in commercio. Però, questo non è il limite:la sensibilità del rivelatore può essere ulteriormente aumentata in dispositivi "più puliti" con una bassa concentrazione di impurità residue. La teoria della rivelazione sviluppata, testato dall'esperimento, mostra che la sensibilità del rivelatore ottimale può essere cento volte superiore.

"Le caratteristiche attuali fanno nascere grandi speranze per la creazione di rivelatori veloci e sensibili per le comunicazioni senza fili, "dice l'autore dell'opera, Dott. Denis Bandurin. E quest'area non è limitata al grafene e non è limitata ai transistor a tunnel. Ci aspettiamo che, con lo stesso successo, si può creare un rivelatore straordinario, Per esempio, basato su una transizione di fase controllata elettricamente. Il grafene si è rivelato essere solo un buon trampolino di lancio qui, solo una porta, dietro il quale c'è un intero mondo di nuove ed entusiasmanti ricerche."

I risultati presentati in questo documento sono un esempio di una collaborazione di successo tra diversi gruppi di ricerca. Gli autori notano che è questo formato di lavoro che consente loro di ottenere risultati scientifici di livello mondiale. Per esempio, prima, lo stesso team di scienziati ha dimostrato come le onde nel mare di elettroni del grafene possono contribuire allo sviluppo della tecnologia dei terahertz. "In un'era di tecnologia in rapida evoluzione, sta diventando sempre più difficile ottenere risultati competitivi, " commenta il dottor Georgy Fedorov, vice capo del laboratorio di materiali nanocarbonici, MIPT, "Solo unendo gli sforzi e le competenze di diversi gruppi possiamo realizzare con successo i compiti più difficili e raggiungere gli obiettivi più ambiziosi, che continueremo a fare".