Il grafene, un materiale ultrasottile costituito da un singolo strato di atomi di carbonio interconnessi, è considerato un candidato promettente per la nanoelettronica del futuro. In teoria, dovrebbe consentire frequenze di clock fino a mille volte più veloci rispetto all'elettronica basata sul silicio di oggi. Scienziati dell'Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dell'Università di Duisburg-Essen (UDE), in collaborazione con il Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), hanno ora dimostrato per la prima volta che il grafene può effettivamente convertire segnali elettronici con frequenze nell'intervallo dei gigahertz, che corrispondono alle frequenze di clock odierne, in modo estremamente efficiente in segnali con una frequenza diverse volte superiore. I ricercatori presentano i loro risultati sulla rivista scientifica Natura .

I componenti elettronici odierni basati su silicio funzionano a frequenze di clock di diverse centinaia di gigahertz (GHz), questo è, stanno cambiando miliardi di volte al secondo. L'industria elettronica sta attualmente cercando di accedere alla gamma dei terahertz (THz), cioè., frequenze di clock fino a mille volte più veloci. Un materiale promettente e potenziale successore del silicio potrebbe essere il grafene, che ha un'elevata conducibilità elettrica ed è compatibile con tutte le tecnologie elettroniche esistenti. In particolare, la teoria ha predetto da tempo che il grafene potrebbe essere un materiale elettronico "non lineare" molto efficiente, cioè., un materiale che può convertire in modo molto efficiente un campo elettromagnetico oscillante applicato in campi con una frequenza molto più elevata. Però, tutti gli sforzi sperimentali per dimostrare questo effetto nel grafene negli ultimi dieci anni non hanno avuto successo.

"Ora siamo stati in grado di fornire la prima prova diretta della moltiplicazione di frequenza da gigahertz a terahertz in un monostrato di grafene e di generare segnali elettronici nell'intervallo di terahertz con notevole efficienza, " spiega il dottor Michael Gensch, il cui gruppo conduce ricerche sulla fisica ultraveloce e gestisce la nuova sorgente di radiazioni terahertz TELBE presso l'HZDR. E non solo:i loro partner di cooperazione guidati dal Prof. Dmitry Turchinovich, fisico sperimentale presso l'Università di Duisburg-Essen (UDE), sono riusciti a descrivere quantitativamente bene le misurazioni utilizzando un semplice modello basato sui principi fisici fondamentali della termodinamica.

Con questa svolta, i ricercatori stanno aprendo la strada alla nanoelettronica ultraveloce basata sul grafene:"Non solo siamo stati in grado di dimostrare sperimentalmente per la prima volta un effetto a lungo previsto nel grafene, ma anche per capirlo quantitativamente bene allo stesso tempo, " sottolinea il Prof. Dmitry Turchinovich. "Nel mio laboratorio studiamo già da diversi anni i meccanismi fisici di base della non linearità elettronica del grafene. Però, le nostre sorgenti luminose non erano sufficienti per rilevare e quantificare effettivamente la moltiplicazione di frequenza in modo pulito e chiaro. Per questo, avevamo bisogno di capacità sperimentali che attualmente sono disponibili solo presso la struttura TELBE."

La tanto attesa prova sperimentale della generazione estremamente efficiente di alte armoniche terahertz nel grafene è riuscita con l'aiuto di un trucco:i ricercatori hanno usato il grafene che contiene molti elettroni liberi, che derivano dall'interazione del grafene con il substrato su cui si deposita, così come con l'aria ambiente. Se questi elettroni mobili sono eccitati da un campo elettrico oscillante, condividono la loro energia molto rapidamente con gli altri elettroni nel grafene, che poi reagiscono molto come un fluido riscaldato:da un "liquido" elettronico in senso figurato, un "vapore" elettronico si forma all'interno del grafene. Il passaggio dalla fase "liquida" alla fase "vapore" avviene entro trilionesimi di secondo e provoca variazioni particolarmente rapide e forti della conduttività del grafene. Questo è l'effetto chiave che porta a un'efficiente moltiplicazione di frequenza.

Gli scienziati hanno utilizzato impulsi elettromagnetici della struttura TELBE con frequenze comprese tra 300 e 680 gigahertz e li hanno convertiti nel grafene in impulsi elettromagnetici con tre, cinque e sette volte la frequenza iniziale, vale a dire convertirli nella gamma di frequenze terahertz. "I coefficienti non lineari che descrivono l'efficienza della generazione di questo terzo, la quinta e la settima frequenza armonica erano eccezionalmente alte, " spiega Turchinovich. "Il grafene è quindi forse il materiale elettronico con la non linearità più forte conosciuta fino ad oggi. Il buon accordo dei valori misurati con il nostro modello termodinamico suggerisce che saremo anche in grado di usarlo per prevedere le proprietà di dispositivi nanoelettronici ad altissima velocità realizzati in grafene." Prof. Mischa Bonn, Direttore dell'MPI-P, che è stato anche coinvolto in questo lavoro, sottolinea:"La nostra scoperta è rivoluzionaria. Abbiamo dimostrato che l'elettronica a base di carbonio può funzionare in modo estremamente efficiente a velocità ultraveloci. Sono concepibili anche componenti ibridi ultraveloci fatti di grafene e semiconduttori tradizionali".

L'esperimento è stato condotto utilizzando il romanzo, sorgente di radiazioni terahertz TELBE basata su acceleratori superconduttori presso il Centro ELBE per sorgenti di radiazioni ad alta potenza presso l'HZDR. La sua frequenza degli impulsi cento volte superiore rispetto alle tipiche sorgenti terahertz basate su laser ha reso possibile in primo luogo la precisione di misurazione richiesta per lo studio del grafene. Un metodo di elaborazione dei dati sviluppato nell'ambito del progetto UE EUCALL consente ai ricercatori di utilizzare effettivamente i dati di misurazione presi con ciascuno dei 100, 000 impulsi luminosi al secondo. "Per noi non esistono dati errati, " dice Gensch. "Poiché possiamo misurare ogni singolo impulso, otteniamo ordini di grandezza nella precisione della misurazione. In termini di tecnologia di misurazione, siamo al limite di ciò che è attualmente fattibile." I primi autori dell'articolo sono i due giovani scienziati Hassan A. Hafez (UDE/MPI-P) e Sergey Kovalev (HZDR).