Квантовое туннелирование в графене приближает эру высокоскоростной беспроводной связи
Передача информации в беспроводных сетях основана на преобразовании высокочастотной непрерывной электромагнитной волны в дискретную последовательность битов. Этот метод известен как модуляция сигнала. Чтобы передавать биты быстрее, нужно увеличить частоту модуляции. Однако для этого требуется синхронное увеличение несущей частоты. Обычное FM-радио передает на частотах в сотни мегагерц, приемник Wi-Fi использует сигналы с частотой примерно 5 гигагерц, а мобильные сети 5G могут передавать сигналы до 20 гигагерц.
Это далеко от предела, и дальнейшее увеличение несущей частоты допускает пропорциональное увеличение скорости передачи данных. К сожалению, прием сигналов с частотами в сотни гигагерц и выше становится все более сложной задачей.
Типичный приемник, используемый в беспроводной связи, состоит из транзисторного усилителя слабых сигналов и демодулятора, который выпрямляет последовательность битов из модулированного сигнала. Дело в том, что большинство существующих транзисторов недостаточно быстры, чтобы улавливать сигнал на такой высокой частоте.
В исследовании авторы доказали, что обнаружение терагерцового сигнала очень эффективно в так называемом туннельном полевом транзисторе. Его отличительной особенностью является очень высокая чувствительность к управляющему напряжению. Даже небольшое отклонение энергетических уровней способно прервать процесс квантово-механического туннелирования.
«Никто до нас не догадывался, что свойство сильной реакции туннельного транзистора на низкие напряжения можно применить в технике терагерцовых детекторов. Мы поняли: если транзистор открывается и закрывается при низкой мощности управляющего сигнала, он также должен хорошо улавливать слабые сигналы из окружающей среды». — говорит доктор Дмитрий Свинцов, один из авторов исследования, заведующий лабораторией.
Созданное устройство основано на двухслойном графене — уникальном материале, в котором положением энергетических уровней (точнее, зонной структурой) можно управлять с помощью электрического напряжения. Это позволило авторам переключаться между классическим транзистором и квантовым туннельным транзистором в одном устройстве, просто меняя полярности напряжения на управляющих контактах. Эта возможность чрезвычайно важна для точного сравнения детектирующей способности.
Эксперимент показал, что чувствительность устройства в туннельном режиме на несколько порядков выше, чем в классическом. Однако это не предел — чувствительность детектора можно еще больше повысить в сотни раз.
«Текущие характеристики вселяют большие надежды на создание быстрых и чувствительных детекторов для беспроводной связи», — говорит автор работы доктор Денис Бандурин. «И эта область не ограничивается графеном. Мы ожидаем, что с таким же успехом можно будет создать замечательный детектор, например, на основе электрически управляемого фазового перехода. Графен оказался здесь просто хорошей стартовой площадкой в мире новых интересных исследований».
Результаты работы являются примером успешного сотрудничества между несколькими исследовательскими группами. Авторы отмечают, что именно такой формат работы позволяет получать научные результаты мирового уровня.
Это открывает перспективы применения графенового детектора в беспроводной связи, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике.