Scientifiques du MIPT (Institut de physique et de technologie de Moscou), L'Université pédagogique d'État de Moscou et l'Université de Manchester ont créé un détecteur térahertz hautement sensible basé sur l'effet de l'effet tunnel de la mécanique quantique dans le graphène. La sensibilité de l'appareil est déjà supérieure aux analogues disponibles dans le commerce à base de semi-conducteurs et de supraconducteurs, qui ouvre des perspectives d'applications du détecteur de graphène dans les communications sans fil, systèmes de sécurité, radioastronomie, et diagnostics médicaux. Les résultats de la recherche sont publiés dans Communication Nature .

Le transfert d'informations dans les réseaux sans fil est basé sur la transformation d'une onde électromagnétique continue à haute fréquence en une séquence discrète de bits. Cette technique est connue sous le nom de modulation de signal. Pour transférer les bits plus rapidement, il faut augmenter la fréquence de modulation. Cependant, cela nécessite une augmentation synchrone de la fréquence porteuse. Une radio FM commune émet à des fréquences de cent mégahertz, un récepteur Wi-Fi utilise des signaux d'une fréquence d'environ cinq gigahertz, tandis que les réseaux mobiles 5G peuvent transmettre jusqu'à 20 signaux gigahertz. C'est loin de la limite, et une augmentation supplémentaire de la fréquence porteuse admet une augmentation proportionnelle des taux de transfert de données. Malheureusement, capter des signaux avec des fréquences de cent gigahertz et plus est un problème de plus en plus difficile.

Un récepteur typique utilisé dans les communications sans fil se compose d'un amplificateur à transistors de signaux faibles et d'un démodulateur qui rectifie la séquence de bits du signal modulé. Ce régime est né à l'époque de la radio et de la télévision, et devient inefficace à des fréquences de centaines de gigahertz souhaitables pour les systèmes mobiles. Le fait est que la plupart des transistors existants ne sont pas assez rapides pour se recharger à une fréquence aussi élevée.

Une manière évolutive de résoudre ce problème consiste simplement à augmenter la fréquence de fonctionnement maximale d'un transistor. La plupart des spécialistes du domaine de la nanoélectronique travaillent dur dans cette direction. Une façon révolutionnaire de résoudre le problème a été théoriquement proposée au début des années 1990 par les physiciens Michael Dyakonov et Michael Shur, et réalisé, entre autres, par le groupe d'auteurs en 2018. Elle implique l'abandon de l'amplification active par transistor, et l'abandon d'un démodulateur séparé. Ce qui reste dans le circuit est un seul transistor, mais son rôle est désormais différent. Il transforme à lui seul un signal modulé en séquence de bits ou en signal vocal, en raison de la relation non linéaire entre son courant et la chute de tension.

Dans le travail present, les auteurs ont prouvé que la détection d'un signal térahertz est très efficace dans le transistor à effet de champ dit tunnel. Pour comprendre son travail, on peut juste rappeler le principe d'un relais électromécanique, où le passage du courant à travers des contacts de commande conduit à une connexion mécanique entre deux conducteurs et, Par conséquent, à l'émergence du courant. Dans un transistor à effet tunnel, l'application d'une tension au contact de commande (appelé « grille ») conduit à l'alignement des niveaux d'énergie de la source et du canal. Cela conduit également à la circulation du courant. Une caractéristique distinctive d'un transistor à effet tunnel est sa très forte sensibilité à la tension de commande. Même un petit "désaccord" des niveaux d'énergie est suffisant pour interrompre le processus subtil de l'effet tunnel de la mécanique quantique. De la même manière, une petite tension à la grille de contrôle est capable de "connecter" les niveaux et d'initier le courant tunnel.

"L'idée de réaction forte d'un transistor à effet tunnel aux basses tensions est connue depuis une quinzaine d'années, " dit le Dr Dmitry Svintsov , l'un des auteurs de l'étude, responsable du laboratoire d'optoélectronique des matériaux bidimensionnels au centre MIPT pour la photonique et les matériaux 2D. "Mais cela n'est connu que dans la communauté de l'électronique de faible puissance. Personne ne s'est rendu compte avant nous que la même propriété d'un transistor à effet tunnel peut être appliquée dans la technologie des détecteurs térahertz. Georgy Alymov (co-auteur de l'étude) et moi-même ont eu la chance de travailler dans les deux domaines.Nous avons réalisé alors:si le transistor est ouvert et fermé à une faible puissance du signal de commande, alors il devrait également être bon pour capter les signaux faibles de l'environnement ambiant. "

Le dispositif créé est basé sur du graphène bicouche, un matériau unique dans lequel la position des niveaux d'énergie (plus strictement, la structure de bande) peut être commandée à l'aide d'une tension électrique. Cela a permis aux auteurs de basculer entre le transport classique et le transport à effet tunnel quantique au sein d'un seul appareil, avec juste un changement des polarités de la tension aux contacts de commande. Cette possibilité est d'une extrême importance pour une comparaison précise de la capacité de détection d'un transistor à effet tunnel classique et quantique.

L'expérience a montré que la sensibilité du dispositif en mode tunnel est de quelques ordres de grandeur supérieure à celle du mode de transport classique. Le signal minimum distinguable par le détecteur par rapport au bruit de fond rivalise déjà avec celui des bolomètres supraconducteurs et semi-conducteurs disponibles dans le commerce. Cependant, ce n'est pas la limite :la sensibilité du détecteur peut être encore augmentée dans des appareils « plus propres » avec une faible concentration d'impuretés résiduelles. La théorie de détection développée, testé par l'expérience, montre que la sensibilité du détecteur optimal peut être cent fois plus élevée.

« Les caractéristiques actuelles font naître de grands espoirs pour la création de détecteurs rapides et sensibles pour les communications sans fil, " dit l'auteur de l'ouvrage, Dr Denis Bandurin. Et ce domaine ne se limite pas au graphène et ne se limite pas aux transistors tunnel. On s'attend à ce que, avec le même succès, un détecteur remarquable peut être créé, par exemple, basé sur une transition de phase à commande électrique. Le graphène s'est avéré être juste une bonne rampe de lancement ici, juste une porte, derrière lequel se cache tout un monde de nouvelles recherches passionnantes."

Les résultats présentés dans cet article sont un exemple de collaboration réussie entre plusieurs groupes de recherche. Les auteurs notent que c'est ce format de travail qui leur permet d'obtenir des résultats scientifiques de classe mondiale. Par exemple, plus tôt, la même équipe de scientifiques a démontré comment les ondes dans la mer d'électrons du graphène peuvent contribuer au développement de la technologie térahertz. « À une époque où la technologie évolue rapidement, il devient de plus en plus difficile d'obtenir des résultats compétitifs, " commente le Dr Georgy Fedorov, directeur adjoint du laboratoire des matériaux nanocarbonés, MIPT, "Ce n'est qu'en combinant les efforts et l'expertise de plusieurs groupes que nous pourrons réaliser avec succès les tâches les plus difficiles et atteindre les objectifs les plus ambitieux, ce que nous continuerons de faire."