Come possono essere trasferite o elaborate grandi quantità di dati il ​​più rapidamente possibile? Una chiave per questo potrebbe essere il grafene. Il materiale ultrasottile è spesso solo uno strato atomico, e gli elettroni che contiene hanno proprietà molto speciali dovute agli effetti quantistici. Potrebbe quindi essere molto adatto per l'uso in componenti elettronici ad alte prestazioni. Fino a questo punto, però, c'è stata una mancanza di conoscenza su come controllare adeguatamente alcune proprietà del grafene. Un nuovo studio di un team di scienziati di Bielefeld e Berlino, insieme a ricercatori di altri istituti di ricerca in Germania e Spagna, sta cambiando questo. I risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista Progressi scientifici .

Composto da atomi di carbonio, il grafene è un materiale spesso solo un atomo in cui gli atomi sono disposti in un reticolo esagonale. Questa disposizione degli atomi è ciò che determina la proprietà unica del grafene:gli elettroni in questo materiale si muovono come se non avessero massa. Questo comportamento "senza massa" degli elettroni porta a una conduttività elettrica molto elevata nel grafene e, importante, questa proprietà viene mantenuta a temperatura ambiente e in condizioni ambientali. Il grafene è quindi potenzialmente molto interessante per le moderne applicazioni elettroniche.

È stato recentemente scoperto che l'elevata conduttività elettronica e il comportamento "senza massa" dei suoi elettroni consente al grafene di alterare le componenti di frequenza delle correnti elettriche che lo attraversano. Questa proprietà dipende fortemente da quanto è forte questa corrente. Nell'elettronica moderna, tale non linearità comprende una delle funzionalità più basilari per la commutazione e l'elaborazione di segnali elettrici. Ciò che rende unico il grafene è che la sua non linearità è di gran lunga il più forte di tutti i materiali elettronici. Inoltre, funziona molto bene per frequenze elettroniche eccezionalmente alte, estendendosi alla gamma tecnologicamente importante dei terahertz (THz) dove la maggior parte dei materiali elettronici convenzionali fallisce.

Nel loro nuovo studio, il team di ricercatori tedeschi e spagnoli ha dimostrato che la non linearità del grafene può essere controllata in modo molto efficiente applicando al materiale tensioni elettriche relativamente modeste. Per questo, i ricercatori hanno prodotto un dispositivo simile a un transistor, dove una tensione di controllo potrebbe essere applicata al grafene tramite una serie di contatti elettrici. Quindi, Tramite il dispositivo sono stati trasmessi segnali THz ad altissima frequenza:la trasmissione e la successiva trasformazione di tali segnali sono state poi analizzate in relazione alla tensione applicata. I ricercatori hanno scoperto che il grafene diventa quasi perfettamente trasparente a una certa tensione:la sua risposta non lineare normalmente forte quasi svanisce. Aumentando o abbassando leggermente la tensione da questo valore critico, il grafene può essere trasformato in un materiale fortemente non lineare, alterando significativamente la forza e le componenti di frequenza dei segnali elettronici THz trasmessi e rimessi.

"Si tratta di un significativo passo avanti verso l'implementazione del grafene nell'elaborazione del segnale elettrico e nelle applicazioni di modulazione del segnale, " dice il prof. Dmitry Turchinovich, un fisico all'Università di Bielefeld e uno dei capi di questo studio. "In precedenza avevamo già dimostrato che il grafene è di gran lunga il materiale funzionale più non lineare che conosciamo. Comprendiamo anche la fisica dietro la non linearità, che ora è noto come immagine termodinamica del trasporto di elettroni ultraveloce nel grafene. Ma fino ad ora non sapevamo come controllare questa non linearità, che era l'anello mancante rispetto all'utilizzo del grafene nelle tecnologie di tutti i giorni".

"Applicando la tensione di controllo al grafene, siamo stati in grado di alterare il numero di elettroni nel materiale che possono muoversi liberamente quando gli viene applicato il segnale elettrico, " spiega il dottor Hassan A. Hafez, un membro del laboratorio del professor Dr. Turchinovich a Bielefeld, e uno dei principali autori dello studio. "Da una parte, più elettroni possono muoversi in risposta al campo elettrico applicato, più forti sono le correnti, che dovrebbe esaltare la non linearità. Ma d'altra parte, più elettroni liberi sono disponibili, più forte è l'interazione tra loro, e questo sopprime la non linearità. Qui abbiamo dimostrato, sia sperimentalmente che teoricamente, che applicando una tensione esterna relativamente debole di pochi volt, possono essere create le condizioni ottimali per la non linearità THz più forte nel grafene."

"Con questo lavoro, abbiamo raggiunto un'importante pietra miliare nel percorso verso l'utilizzo del grafene come materiale quantistico funzionale non lineare estremamente efficiente in dispositivi come i convertitori di frequenza THz, miscelatori, e modulatori, " afferma il professor Dr. Michael Gensch dell'Istituto di sistemi di sensori ottici del Centro aerospaziale tedesco (DLR) e dell'Università tecnica di Berlino, chi è l'altro capo di questo studio. "Questo è estremamente rilevante perché il grafene è perfettamente compatibile con la tecnologia elettronica esistente dei semiconduttori ad altissima frequenza come CMOS o Bi-CMOS. È quindi ora possibile immaginare dispositivi ibridi in cui il segnale elettrico iniziale viene generato a una frequenza inferiore utilizzando la tecnologia dei semiconduttori esistente. ma può quindi essere convertito in modo molto efficiente a frequenze THz molto più elevate nel grafene, il tutto in modo completamente controllabile e prevedibile".

Ricercatori dell'Università di Bielefeld, l'Istituto dei sistemi di sensori ottici del DLR, l'Università Tecnica di Berlino, il Centro Helmholtz Dresda-Rossendorf, e l'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri in Germania, così come l'Istituto catalano di nanoscienze e nanotecnologie (ICN2) e l'Istituto di scienze fotoniche (ICFO) in Spagna hanno partecipato a questo studio.