Le graphène, un matériau ultrafin constitué d'une seule couche d'atomes de carbone interconnectés, est considéré comme un candidat prometteur pour la nanoélectronique du futur. En théorie, il devrait permettre des fréquences d'horloge jusqu'à mille fois plus rapides que l'électronique à base de silicium d'aujourd'hui. Des scientifiques du Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de l'Université de Duisburg-Essen (UDE), en coopération avec le Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), ont maintenant montré pour la première fois que le graphène peut réellement convertir des signaux électroniques avec des fréquences de l'ordre du gigahertz - qui correspondent aux fréquences d'horloge d'aujourd'hui - de manière extrêmement efficace en signaux avec une fréquence plusieurs fois plus élevée. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue scientifique La nature .

Les composants électroniques actuels à base de silicium fonctionnent à des fréquences d'horloge de plusieurs centaines de gigahertz (GHz), C'est, ils commutent plusieurs milliards de fois par seconde. L'industrie électronique tente actuellement d'accéder à la gamme térahertz (THz), c'est à dire., des fréquences d'horloge jusqu'à mille fois plus rapides. Un matériau prometteur et successeur potentiel du silicium pourrait être le graphène, qui a une conductivité électrique élevée et est compatible avec toutes les technologies électroniques existantes. En particulier, la théorie a longtemps prédit que le graphène pourrait être un matériau électronique "non linéaire" très efficace, c'est à dire., un matériau qui peut très efficacement convertir un champ électromagnétique oscillant appliqué en champs avec une fréquence beaucoup plus élevée. Cependant, tous les efforts expérimentaux pour prouver cet effet dans le graphène au cours des dix dernières années n'ont pas été couronnés de succès.

« Nous avons maintenant été en mesure de fournir la première preuve directe de multiplication de fréquence du gigahertz au térahertz dans une monocouche de graphène et de générer des signaux électroniques dans la gamme térahertz avec une efficacité remarquable, " explique le Dr Michael Gensch, dont le groupe mène des recherches sur la physique ultrarapide et exploite la nouvelle source de rayonnement térahertz TELBE au HZDR. Et pas seulement cela—leurs partenaires de coopération dirigés par le professeur Dmitry Turchinovich, physicien expérimental à l'Université de Duisburg-Essen (UDE), ont réussi à bien décrire quantitativement les mesures en utilisant un modèle simple basé sur les principes physiques fondamentaux de la thermodynamique.

Avec cette percée, les chercheurs ouvrent la voie à la nanoélectronique ultrarapide à base de graphène :mais aussi de bien le comprendre quantitativement en même temps, " souligne le professeur Dmitry Turchinovich. "Dans mon laboratoire, nous étudions depuis plusieurs années déjà les mécanismes physiques de base de la non-linéarité électronique du graphène. Cependant, nos sources lumineuses n'étaient pas suffisantes pour détecter et quantifier la multiplication de fréquence proprement et clairement. Pour ça, nous avions besoin de capacités expérimentales qui ne sont actuellement disponibles qu'à l'installation TELBE."

La preuve expérimentale tant attendue d'une génération extrêmement efficace d'harmoniques térahertz élevées dans le graphène a réussi à l'aide d'une astuce :les chercheurs ont utilisé du graphène qui contient de nombreux électrons libres, qui proviennent de l'interaction du graphène avec le substrat sur lequel il est déposé, ainsi qu'avec l'air ambiant. Si ces électrons mobiles sont excités par un champ électrique oscillant, ils partagent très rapidement leur énergie avec les autres électrons du graphène, qui réagissent alors un peu comme un fluide chauffé :à partir d'un "liquide" électronique, au sens figuré, une "vapeur" électronique se forme dans le graphène. Le passage de la phase "liquide" à la phase "vapeur" se produit en quelques billions de seconde et provoque des changements particulièrement rapides et forts de la conductivité du graphène. C'est l'effet clé conduisant à une multiplication de fréquence efficace.

Les scientifiques ont utilisé des impulsions électromagnétiques de l'installation TELBE avec des fréquences comprises entre 300 et 680 gigahertz et les ont converties dans le graphène en impulsions électromagnétiques avec trois, cinq et sept fois la fréquence initiale, c'est-à-dire qu'ils les ont convertis dans la gamme de fréquences térahertz. "Les coefficients non linéaires décrivant l'efficacité de la génération de ce tiers, la fréquence des cinquième et septième harmoniques était exceptionnellement élevée, " explique Turchinovich. " Le graphène est donc peut-être le matériau électronique avec la plus forte non-linéarité connue à ce jour. Le bon accord des valeurs mesurées avec notre modèle thermodynamique suggère que nous pourrons également l'utiliser pour prédire les propriétés de dispositifs nanoélectroniques ultra-rapides en graphène. » Prof. Mischa Bonn, Directeur du MPI-P, qui a également participé à ce travail, souligne :« Notre découverte est révolutionnaire. Nous avons démontré que l'électronique à base de carbone peut fonctionner de manière extrêmement efficace à des vitesses ultrarapides. Des composants hybrides ultrarapides faits de graphène et de semi-conducteurs traditionnels sont également envisageables.

L'expérience a été réalisée en utilisant le roman, source de rayonnement térahertz TELBE basée sur un accélérateur supraconducteur au Centre ELBE pour les sources de rayonnement à haute puissance du HZDR. Sa fréquence d'impulsion cent fois plus élevée que celle des sources térahertz typiques à base de laser a permis en premier lieu la précision de mesure requise pour l'étude du graphène. Une méthode de traitement des données développée dans le cadre du projet européen EUCALL permet aux chercheurs d'exploiter réellement les données de mesure prises avec chacun des 100, 000 impulsions lumineuses par seconde. "Pour nous, il n'y a pas de mauvaises données, " dit Gensch. " Puisque nous pouvons mesurer chaque impulsion, nous gagnons des ordres de grandeur en précision de mesure. En termes de technologie de mesure, nous sommes à la limite de ce qui est actuellement faisable. » Les premiers auteurs de l'article sont les deux jeunes scientifiques Hassan A. Hafez (UDE/MPI-P) et Sergey Kovalev (HZDR).