Физики Московского физико-технического института с коллегами из Московского педагогического государственного университета и университета Манчестера создали высокочувствительный детектор терагерцового излучения на основе туннельного эффекта в графене.
Чувствительность устройства уже превосходит коммерчески доступные аналоги на основе полупроводников и сверхпроводников, что открывает перспективы приложений графенового детектора в беспроводных коммуникациях, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Передача информации в беспроводных сетях основана на превращении непрерывной высокочастотной волны в последовательность отрезков - битов информации. Такой прием называется модуляцией излучения. Чтобы передавать информацию быстрее, необходимо увеличивать частоту модуляции. Однако при этом нужно синхронно увеличивать частоту несущего излучения. Если привычное FM-радио использует сигналы на частотах в сотни мегагерц, то несущая частота Wi-Fi-передатчика составляет уже около пяти гигагерц, а для мобильных систем передачи поколения 5G эта частота доходит до двадцати гигагерц. Это далеко не предел, и дальнейшее повышение несущей частоты сулит пропорциональное увеличение скорости передачи данных. Однако улавливать сигналы с частотами в сотни гигагерц и выше становится все труднее и труднее.
Базовый приемник, используемый в беспроводных системах передачи данных, состоит из усилителя слабого сигнала на основе транзистора и демодулятора, "вытаскивающего" полезную последовательность битов из сверхвысокочастотного сигнала. Эта схема, зародившаяся в эпоху радио и телевидения, становится неэффективной на желаемых для мобильных систем частотах в сотни гигагерц. Дело в том, что большинство существующих транзисторов не успевает перезарядиться со столь высокой частотой.
"Эволюционный" путь решения проблемы состоит в увеличении быстродействия транзистора. В этом направлении работает большинство специалистов в сфере наноэлектроники. "Революционный" путь решения проблемы был теоретически предложен в начале 1990-х годов физиками Михаилом Дьяконовым и Михаилом Шуром и реализован - в том числе группой авторов в 2018 году. Этот путь состоит в отказе от усиления сигнала транзистором и отказе от демодулятора. Транзистор остается в схеме, но его роль теперь состоит в другом. Он сам по себе превращает модулированный сигнал в последовательность битов или голосовую информацию благодаря нелинейной зависимости между током и напряжением.
В нынешней работе авторы доказали, что детектирование терагерцового сигнала является очень эффективным в особом типе транзистора, который называется туннельным. Чтобы понять его работу, достаточно вспомнить принцип электромеханического реле, где подача тока на управляющие контакты приводит к механическому соединению двух проводников и возникновению тока. В туннельном транзисторе подача напряжения на управляющий контакт - затвор - приводит к соединению энергетических уровней истока и канала, что, в свою очередь, приводит также и к протеканию тока. Отличительной чертой туннельного транзистора является его очень сильная чувствительность к управляющему напряжению. Ведь уже небольшой "расстройки" энергетических уровней достаточно, чтобы прервать квантово-механический процесс туннелирования. И уже небольшое напряжение на управляющем затворе способно "соединить" уровни и инициировать туннельный ток.
Созданный прибор основан на двухслойном графене - уникальном материале, в котором положением энергетических уровней (более строго - зонной структурой) можно управлять с помощью электрического напряжения. Это позволило авторам переключаться между режимами классического и квантового туннельного транспорта внутри одного прибора всего лишь с изменением полярностей напряжения на управляющих контактах. Эта возможность чрезвычайно важна для аккуратного сравнения детектирующих свойств классического и квантового туннельного транзистора.
Эксперимент показал, что чувствительность устройства в туннельном режиме на несколько порядков превосходит аналогичную величину в режиме классического транспорта. Минимальный сигнал, различаемый детектором на фоне шума, уже конкурирует с аналогичным показателем у коммерчески доступных сверхпроводниковых и полупроводниковых болометров. Однако и это не предел: чувствительность детектора может быть увеличена и далее в "чистых" приборах с малой концентрацией остаточных примесей. Развитая теория детектирования, проверенная нынешним экспериментом, показывает, что чувствительность "оптимального" детектора может быть в сотню раз выше.
Результаты, представленные в данной работе, являются примером успешной коллаборации между несколькими научными группами. Авторы отмечают, что именно такой формат работы позволяет им уже в который раз получать научные результаты мирового уровня. Например, ранее этот же коллектив ученых продемонстрировал, как волны в электронном море графена могут способствовать развитию терагерцовых технологий.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 16-19-10557) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-29-20116 мк).
Информация и фото предоставлены пресс-службой МФТИ