Comment transférer ou traiter de grandes quantités de données le plus rapidement possible ? Une des clés de cela pourrait être le graphène. Le matériau ultra-mince n'a qu'une couche atomique d'épaisseur, et les électrons qu'il contient ont des propriétés très particulières dues aux effets quantiques. Il pourrait donc très bien convenir à une utilisation dans des composants électroniques performants. Jusqu'à ce point, cependant, il y a eu un manque de connaissances sur la façon de contrôler de manière appropriée certaines propriétés du graphène. Une nouvelle étude menée par une équipe de scientifiques de Bielefeld et de Berlin, avec des chercheurs d'autres instituts de recherche en Allemagne et en Espagne, est en train de changer cela. Les résultats de l'équipe ont été publiés dans la revue Avancées scientifiques .

Constitué d'atomes de carbone, Le graphène est un matériau d'une épaisseur d'un atome où les atomes sont disposés en un réseau hexagonal. Cet arrangement d'atomes est à l'origine de la propriété unique du graphène :les électrons de ce matériau se déplacent comme s'ils n'avaient pas de masse. Ce comportement « sans masse » des électrons conduit à une conductivité électrique très élevée dans le graphène et, surtout, cette propriété est maintenue à température ambiante et dans les conditions ambiantes. Le graphène est donc potentiellement très intéressant pour les applications électroniques modernes.

Il a été récemment découvert que la conductivité électronique élevée et le comportement « sans masse » de ses électrons permettent au graphène de modifier les composantes de fréquence des courants électriques qui le traversent. Cette propriété dépend fortement de la force de ce courant. Dans l'électronique moderne, une telle non-linéarité comprend l'une des fonctionnalités les plus élémentaires de commutation et de traitement des signaux électriques. Ce qui rend le graphène unique, c'est que sa non-linéarité est de loin le plus fort de tous les matériaux électroniques. De plus, il fonctionne très bien pour des fréquences électroniques exceptionnellement élevées, s'étendant dans la gamme technologiquement importante térahertz (THz) où la plupart des matériaux électroniques conventionnels échouent.

Dans leur nouvelle étude, l'équipe de chercheurs d'Allemagne et d'Espagne a démontré que la non-linéarité du graphène peut être contrôlée très efficacement en appliquant des tensions électriques relativement modestes au matériau. Pour ça, les chercheurs ont fabriqué un appareil ressemblant à un transistor, où une tension de commande pourrait être appliquée au graphène via un ensemble de contacts électriques. Puis, des signaux THz ultra haute fréquence ont été transmis à l'aide de l'appareil :la transmission et la transformation ultérieure de ces signaux ont ensuite été analysées en fonction de la tension appliquée. Les chercheurs ont découvert que le graphène devient presque parfaitement transparent à une certaine tension - sa réponse non linéaire normalement forte disparaît presque. En augmentant ou en diminuant légèrement la tension à partir de cette valeur critique, le graphène peut être transformé en un matériau fortement non linéaire, altérant de manière significative la force et les composantes fréquentielles des signaux électroniques THz émis et réémis.

« Il s'agit d'un pas en avant important vers la mise en œuvre du graphène dans les applications de traitement du signal électrique et de modulation du signal, " dit le professeur Dmitry Turchinovich, un physicien de l'Université de Bielefeld et l'un des responsables de cette étude. "Auparavant, nous avions déjà démontré que le graphène est de loin le matériau fonctionnel le plus non linéaire que nous connaissions. Nous comprenons également la physique derrière la non-linéarité, qui est maintenant connue sous le nom d'image thermodynamique du transport ultrarapide d'électrons dans le graphène. Mais jusqu'à présent nous ne savions pas comment contrôler cette non-linéarité, qui était le chaînon manquant en ce qui concerne l'utilisation du graphène dans les technologies de tous les jours."

"En appliquant la tension de commande au graphène, nous avons pu modifier le nombre d'électrons dans le matériau qui peuvent se déplacer librement lorsque le signal électrique lui est appliqué, " explique le Dr Hassan A. Hafez, membre du laboratoire du professeur Dr Turchinovich à Bielefeld, et l'un des principaux auteurs de l'étude. "D'une part, plus les électrons peuvent se déplacer en réponse au champ électrique appliqué, plus les courants sont forts, ce qui devrait renforcer la non-linéarité. Mais d'autre part, plus il y a d'électrons libres disponibles, plus l'interaction entre eux est forte, et cela supprime la non-linéarité. Ici, nous avons démontré - à la fois expérimentalement et théoriquement - qu'en appliquant une tension externe relativement faible de seulement quelques volts, les conditions optimales pour la non-linéarité THz la plus forte dans le graphène peuvent être créées."

"Avec ce travail, nous avons atteint une étape importante sur la voie de l'utilisation du graphène comme matériau quantique fonctionnel non linéaire extrêmement efficace dans des dispositifs tels que les convertisseurs de fréquence THz, mélangeurs, et modulateurs, " déclare le professeur Dr. Michael Gensch de l'Institut des systèmes de capteurs optiques du Centre aérospatial allemand (DLR) et de l'Université technique de Berlin, qui est l'autre responsable de cette étude. « Ceci est extrêmement pertinent car le graphène est parfaitement compatible avec la technologie électronique existante des semi-conducteurs ultra-haute fréquence comme le CMOS ou le Bi-CMOS. Il est donc désormais possible d'envisager des dispositifs hybrides dans lesquels le signal électrique initial est généré à plus basse fréquence en utilisant la technologie des semi-conducteurs existante. mais peut ensuite être converti très efficacement à des fréquences THz beaucoup plus élevées dans le graphène, le tout d'une manière entièrement contrôlable et prévisible."

Des chercheurs de l'Université de Bielefeld, l'Institut des systèmes de capteurs optiques du DLR, l'Université technique de Berlin, le Centre Helmholtz Dresde-Rossendorf, et l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères en Allemagne, ainsi que l'Institut catalan des nanosciences et nanotechnologies (ICN2) et l'Institut des sciences photoniques (ICFO) en Espagne ont participé à cette étude.