太赫兹高速无线通信时代到来?科学家开发出一种基于石墨烯的量子隧穿技术

来自MIPT、莫斯科国立教育大学和曼彻斯特大学的科学家们,基于石墨烯中的量子力学“隧穿效应”,发明了一种高度敏感的太赫兹探测器。

太赫兹高速无线通信时代到来?科学家开发出一种基于石墨烯的量子隧穿技术

该装置的灵敏度已经优于基于半导体和超导体的商用类似物,这为石墨烯探测器在无线通信、安全系统、射电天文学和医疗诊断领域的应用开辟了前景。研究结果发表在一份高级期刊《自然通讯》(Nature Communications)上。

无线网络中的信息传输,是将高频连续电磁波转换成离散的比特序列。这种技术被称为信号调制(signal modulation)。为了更快地传输比特,就必须提高调制频率。然而,这需要同步增加载波频率。普通的调频无线电传输频率为100兆赫,Wi-Fi接收器使用的信号频率约为5千兆赫,而5G移动网络可以传输高达20千兆赫的信号。

这些都远远没有达到极限,而且载波频率的进一步增加,也会相应地增加数据传输速率。不幸的是,接收频率在千兆赫甚至更高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机,包括一个基于晶体管的弱信号放大器,和一个将调制信号中的比特序列整流的解调器。这种方案起源于无线电和电视时代,在移动系统所需的数百千兆赫的频率上变得低效。事实是,现有的大多数晶体管的速度都不足以在如此高的频率下充电。

解决这一问题的渐进方法是增加晶体管的最大工作频率。纳米电子学领域的大多数专家都在朝着这个方向努力工作。

太赫兹高速无线通信时代到来?科学家开发出一种基于石墨烯的量子隧穿技术

在目前的工作中,作者证明了在所谓的隧穿场效应晶体管(tunneling field-effect transistor)中检测太赫兹信号是非常有效的。

这项研究的作者之一、MIPT光子与2D材料中心光电子2D材料实验室的负责人Dmitry Svintsov博士表示:“在我们之前,没有人意识到隧穿晶体管的同样特性可以应用于太赫兹探测器技术。”

在这一基础上,研究人员意识到:如果晶体管在低功率的控制信号下开启和关闭,那么它也应该能很好地接收周围环境的微弱信号。

研究人员开发出来的新装置基于双层石墨烯,采用的独特材料,可以通过电压来控制能级的位置(更严格地说,是能带结构)。这使得作者能够在单个器件中在经典传输和量子隧穿传输之间切换,而只需要改变控制触点处的电压极性。这种可能性对于精确比较经典晶体管和量子隧穿晶体管的探测能力是极其重要的。

实验表明,在隧道模式下器件的灵敏度比在经典传输模式下高出几个数量级。探测器在噪声背景下所能识别的最小信号已经可以与商用超导和半导体辐射热计比肩。然而,这不是极限——检测器的灵敏度可以在“清洁”装置中进一步提高,残留杂质浓度较低。所开发的检测理论,通过实验验证,表明这种“最优”探测器的灵敏度可以提高100倍。这些特性,给创造快速、灵敏的无线通信探测器带来了很大的希望。

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