Kvanttitunnelointi grafeenissa terahertsi-ilmaisimena

MIPT:n, Moskovan pedagogisen valtionyliopiston ja Manchesterin yliopiston tutkijat ovat luoneet erittäin herkän terahertsien ilmaisimen, joka perustuu kvanttimekaanisen tunneloinnin vaikutukseen grafeenissa.

Laitteen herkkyys on jo parempi kuin kaupalliset puolijohteisiin ja suprajohteisiin perustuvat, mikä avaa mahdollisuuksia grafeeni-ilmaisimen sovelluksille langattomassa viestinnässä, turvajärjestelmissä, radioastronomiassa ja lääketieteellisessä diagnostiikassa.

Terahertsitaajuuksien vahvistamiseen ongelma on, että transistoritekniikka ei ole tarpeeksi nopeaa. Fyysikot Michael Dyakonov ja Michael Shur ehdottivat teoreettisesti mullistavaa tapaa ratkaista ongelma 1990-luvun alussa, ja he myös toteuttivat sen vuonna 2018. (Resonant terahertz detection using graphene plasmons).

Temppu tarkoittaa aktiivisen transistorivahvistuksen ja erillisen demodulaattorin hylkäämistä. Piirissä on jäljellä yksi transistori, mutta sen rooli on nyt erilainen. Se muuntaa moduloidun signaalin suoraan bittisekvenssiksi tai äänisignaaliksi johtuen epälineaarisesta suhteesta virran- ja jännitteenpudotuksen välillä.

Tutkimus osoitti terahertsisignaalin havaitsemisen erittäin tehokkaasti ns. tunneloivalla kenttävaikutustransistorilla, jonka erityispiirre on suuri herkkyys ohjausjännitteelle. Erittäin pieni energiatasojen "virittäminen" riittää keskeyttämään kvanttimekaanisen tunneloinnin samoin kuin pieni jännite ohjausportissa pystyy "yhdistämään" tasot ja aloittamaan tunnelointivirran.

"Ajatus tunnelointitransistorin vahvasta reaktiosta pieniin jännitteisiin on tunnettu noin viisitoista vuotta", kertoo tohtori Dmitry Svintsov. Nyt tutkijat keksivät, että koska tunnelointitransistoria voi avata ja sulkea pienitehoisella ohjaussignaalilla, sen pitäisi olla myös hyvä poimimaan heikkoja signaaleja ympäröivästä ympäristöstä."

Nyt kehitetty rakenne perustuu kaksikerroksiseen grafeeniin, materiaaliin jonka energiatasojen sijaintia (kaistarakennetta) voidaan hallita jännitteellä. Tämä antoi tutkijoille mahdollisuuden vaihtaa ja tarkkailla klassista kuljetusta ja kvanttitunnelointikuljetusta samassa rakenteessa vain ohjausjännitteen polariteetteja vaihtamalla.

Koe osoitti, että rakenteen herkkyys tunnelointitilassa on muutamaa suuruusluokka suurempi kuin klassisessa kuljetusmuodossa. Ilmaisimen erottama vähimmäissignaali kohisevaa taustaa vasten kilpailee jo kaupallisesti saatavien suprajohtavien ja puolijohde-bolometrien kanssa.

Tämä ei kuitenkaan ole raja - ilmaisimen herkkyyttä voidaan edelleen lisätä puhtaammissa rakenteissa. Kehitetty ilmaisuteoria, ja kokeissa testattu, osoittaa että optimaalisen ilmaisimen herkkyys voi olla sata kertaa suurempi.

"Nykyiset ominaisuudet herättävät suuria toiveita nopeiden ja herkkien ilmaisimien luomisesta langatonta viestintää varten", sanoo, tohtori Denis Bandurin. Ja tämä alue ei rajoitu grafeeniin eikä tunnelitransistoreihin. Odotamme, että samalla menestyksellä voidaan luoda merkittävä ilmaisin esimerkiksi sähköisesti ohjatun vaihesiirron perusteella.

Aiheesta aiemmin:

Näppärä terahertsinen tekniikka

Grafeeni yllättää vieläkin