石墨烯中的量子隧道技术推动了高速太赫兹无线通信时代的到来

量子隧穿。

来自MIPT，莫斯科教育州立大学和曼彻斯特大学的科学家基于石墨烯中的量子力学隧穿效应，创建了一个高灵敏的太赫兹探测器。该设备的灵敏度已经优于基于半导体和超导体的市售类似物，这为石墨烯检测器在无线通信，安全系统，射电天文学和医学诊断中的应用开辟了前景。研究结果发表在高级杂志《自然通讯》上。

无线网络中的信息传输基于高频连续电磁波到离散位序列的转换。此技术称为信号调制。为了更快地传输位，必须增加调制频率。但是，这需要同步增加载波频率。常见的FM无线电以100兆赫兹的频率发送信号，Wi-Fi接收器使用频率大约为5 GHz的信号，而5G移动网络最多可以发送20 GHz的信号。

这远非极限，载波频率的进一步增加允许数据传输速率成比例地增加。不幸的是，拾取具有百兆赫兹频率和更高频率的信号是一个越来越具有挑战性的问题。

无线通信中使用的典型接收器由基于晶体管的弱信号放大器和解调器组成，该解调器对已调制信号中的位序列进行整流。该方案起源于广播和电视时代，并且在移动系统所需的数百吉赫兹的频率下效率低下。事实是，大多数现有晶体管的速度不足以在如此高的频率下充电。

解决这个问题的一种进化方法就是增加晶体管的最大工作频率。纳米电子领域的大多数专家都朝着这个方向努力。理论上，物理学家Michael Dyakonov和Michael Shur于1990年代初提出了一种解决该问题的革命性方法，并在2018年由作者小组实现了。这意味着放弃晶体管的有源放大，并放弃一个单独的解调器。电路中只剩下一个晶体管，但是它的作用现在有所不同。由于其电流和电压降之间的非线性关系，它将调制信号本身转换为位序列或语音信号。

在目前的工作中，作者已经证明，在所谓的隧穿场效应晶体管中，太赫兹信号的检测非常有效。要了解其工作原理，您只需回顾一下机电继电器的原理，其中电流通过控制触点的通过会导致两个导体之间的机械连接，从而导致电流的产生。在隧道晶体管中，向控制触点（称为“门”）施加电压会导致源极和沟道的能级对齐。这也导致电流的流动。隧道晶体管的显着特征是其对控制电压的极强灵敏度。甚至很小的能级“失谐”也足以中断量子机械隧穿的微妙过程。类似地，控制栅极上的小电压能够“连接”这些电平并启动隧道电流。

研究的作者之一，MIPT中心的2D光电材料实验室负责人Dmitry Svintsov博士说：``人们对隧道晶体管对低压产生强烈反应的想法已有大约15年的历史了。''光子学和2D材料。“但它仅在低功率电子产品社区中广为人知。在我们之前，没有人意识到在太赫兹检测器技术中可以应用隧道晶体管的相同特性。我和乔治·阿利莫夫（Georgy Alymov）（该研究的合著者）很幸运能够在这两个领域工作。然后我们意识到：如果在控制信号的低功率下打开和关闭晶体管，那么它也应该很好地从周围环境中拾取微弱的信号。”

创建的设备基于双层石墨烯，双层石墨烯是一种独特的材料，在其中可以使用电压来控制能级的位置（更严格地讲，是能带结构）。这使作者可以在单个器件内的经典传输和量子隧穿传输之间切换，而控制触点上的电压极性只是发生变化。对于准确比较经典和量子隧穿晶体管的检测能力，这种可能性极为重要。

实验表明，在隧穿模式下，该器件的灵敏度比传统传输模式下的灵敏度高几个数量级。检测器在嘈杂背景下可分辨出的最小信号已经与市售超导和半导体辐射热计竞争。但是，这不是极限，在残留杂质浓度低的“清洁”设备中，可以进一步提高检测器的灵敏度。经过实验测试的发达检测理论表明，“最佳”检测器的灵敏度可以高出一百倍。

该论文的作者丹尼斯·班杜林（Denis Bandurin）博士说：“当前的特性为创建用于无线通信的快速灵敏检测器带来了巨大希望。”并且该区域不限于石墨烯，也不限于隧道晶体管。我们期望，以同样的成功，例如，可以基于电控相变创建出色的检测器。事实证明，石墨烯在这里只是一个很好的发射台，只有一扇门，背后是激动人心的新研究的整个世界。

本文介绍的结果是几个研究小组之间成功合作的一个例子。作者指出，正是这种工作形式使他们获得了世界一流的科学成果。例如，较早前，同一组科学家展示了石墨烯电子海中的波能如何有助于太赫兹技术的发展。“在技术日新月异的时代，实现竞争成果变得越来越困难。”–评论MIPT纳米碳材料实验室副主任Georgy Fedorov博士说：“只有结合几个小组的努力和专业知识，我们才能成功地完成最艰巨的任务并实现最雄心勃勃的目标，而我们将继续这样做。 。”

参考：I. Gayduchenko，SG SG Xu，G。Alymov，M。Moskotin，I。Tretyakov，T。Taniguchi，K。Watanabe，G。Goltsman，AK Geim，G。Fedorov撰写的“用于灵敏太赫兹检测的隧道场效应晶体管” D.Svintsov和DA Bandurin，2021年1月22日，自然通讯。DOI：
10.1038 / s41467-020-20721-z

这项工作得到了俄罗斯科学基金会（批准号16-19-10557）和俄罗斯基础研究基金会（批准号18-29-20116 mk）的支持。