El grafeno, un material ultrafino que consta de una sola capa de átomos de carbono entrelazados, se considera un candidato prometedor para la nanoelectrónica del futuro. En teoria, debería permitir velocidades de reloj hasta mil veces más rápidas que la electrónica actual basada en silicio. Científicos del Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y la Universidad de Duisburg-Essen (UDE), en cooperación con el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (MPI-P), ahora han demostrado por primera vez que el grafeno puede convertir señales electrónicas con frecuencias en el rango de gigahercios, que corresponden a las frecuencias de reloj actuales, de manera extremadamente eficiente en señales con una frecuencia varias veces mayor. Los investigadores presentan sus resultados en la revista científica Naturaleza .

Los componentes electrónicos basados ​​en silicio de hoy funcionan a velocidades de reloj de varios cientos de gigahercios (GHz), es decir, están cambiando varios miles de millones de veces por segundo. La industria de la electrónica está intentando acceder al rango de terahercios (THz), es decir., velocidades de reloj hasta mil veces más rápidas. Un material prometedor y sucesor potencial del silicio podría ser el grafeno, que tiene una alta conductividad eléctrica y es compatible con todas las tecnologías electrónicas existentes. En particular, La teoría ha predicho durante mucho tiempo que el grafeno podría ser un material electrónico "no lineal" muy eficiente, es decir., un material que puede convertir de manera muy eficiente un campo electromagnético oscilante aplicado en campos con una frecuencia mucho más alta. Sin embargo, todos los esfuerzos experimentales para probar este efecto en el grafeno durante los últimos diez años no han tenido éxito.

"Ahora hemos podido proporcionar la primera prueba directa de multiplicación de frecuencia de gigahercios a terahercios en una monocapa de grafeno y generar señales electrónicas en el rango de terahercios con notable eficiencia, "explica el Dr. Michael Gensch, cuyo grupo realiza investigaciones sobre física ultrarrápida y opera la nueva fuente de radiación de terahercios TELBE en el HZDR. Y no solo eso:sus socios de cooperación dirigidos por el profesor Dmitry Turchinovich, físico experimental de la Universidad de Duisburg-Essen (UDE), han logrado describir las mediciones cuantitativamente bien utilizando un modelo simple basado en los principios físicos fundamentales de la termodinámica.

Con este avance, los investigadores están allanando el camino para la nanoelectrónica ultrarrápida basada en grafeno:"No solo pudimos demostrar experimentalmente un efecto predicho desde hace mucho tiempo en el grafeno por primera vez, sino también para comprenderlo cuantitativamente bien al mismo tiempo, "enfatiza el profesor Dmitry Turchinovich." En mi laboratorio hemos estado investigando los mecanismos físicos básicos de la no linealidad electrónica del grafeno ya durante varios años. Sin embargo, Nuestras fuentes de luz no fueron suficientes para detectar y cuantificar realmente la multiplicación de frecuencias de forma limpia y clara. Para esto, necesitábamos capacidades experimentales que actualmente solo están disponibles en las instalaciones de TELBE ".

La tan esperada prueba experimental de la generación de armónicos altos de terahercios extremadamente eficiente en grafeno ha tenido éxito con la ayuda de un truco:los investigadores utilizaron grafeno que contiene muchos electrones libres, que provienen de la interacción del grafeno con el sustrato sobre el que se deposita, así como con el aire ambiente. Si estos electrones móviles son excitados por un campo eléctrico oscilante, comparten su energía muy rápidamente con los otros electrones en el grafeno, que luego reaccionan como un fluido calentado:de un "líquido" electrónico, hablando en sentido figurado, se forma un "vapor" electrónico dentro del grafeno. El cambio de la fase "líquida" a la "vapor" se produce en una billonésima de segundo y provoca cambios particularmente rápidos y fuertes en la conductividad del grafeno. Este es el efecto clave que conduce a una multiplicación de frecuencias eficiente.

Los científicos utilizaron pulsos electromagnéticos de la instalación de TELBE con frecuencias entre 300 y 680 gigahercios y los convirtieron en el grafeno en pulsos electromagnéticos con tres, cinco y siete veces la frecuencia inicial, es decir, convertirlos en el rango de frecuencia de terahercios. "Los coeficientes no lineales que describen la eficiencia de la generación de este tercio, Las frecuencias armónicas del quinto y séptimo eran excepcionalmente altas, "explica Turchinovich." El grafeno es, por tanto, posiblemente el material electrónico con la no linealidad más fuerte conocida hasta la fecha. La buena concordancia de los valores medidos con nuestro modelo termodinámico sugiere que también podremos usarlo para predecir las propiedades de dispositivos nanoelectrónicos de ultra alta velocidad hechos de grafeno ". Prof. Mischa Bonn, Director del MPI-P, quien también estuvo involucrado en este trabajo, enfatiza:"Nuestro descubrimiento es pionero. Hemos demostrado que la electrónica basada en carbono puede funcionar de manera extremadamente eficiente a velocidades ultrarrápidas. También se pueden concebir componentes híbridos ultrarrápidos hechos de grafeno y semiconductores tradicionales".

El experimento se realizó utilizando la novela, Fuente de radiación de terahercios TELBE basada en un acelerador superconductor en el Centro ELBE para Fuentes de Radiación de Alta Potencia en el HZDR. Su frecuencia de pulso cien veces más alta en comparación con las fuentes típicas de terahercios basadas en láser hizo posible la precisión de medición requerida para la investigación del grafeno en primer lugar. Un método de procesamiento de datos desarrollado como parte del proyecto de la UE EUCALL permite a los investigadores utilizar realmente los datos de medición tomados con cada uno de los 100, 000 pulsos de luz por segundo. "Para nosotros no hay datos erróneos, ", dice Gensch." Dado que podemos medir cada pulso, ganamos órdenes de magnitud en precisión de medición. En términos de tecnología de medición, estamos al límite de lo que actualmente es factible ”. Los primeros autores del artículo son los dos jóvenes científicos Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) y Sergey Kovalev (HZDR).