8 февраля 2021
Нобелевский лауреат Андрей Гейм и его коллеги из России и Британии создали новый тип датчиков терагерцового излучения на базе графена, обладающих рекордной чувствительностью благодаря эффекту квантового туннелирования. Об этом в среду сообщила пресс-служба МФТИ со ссылкой на статью в журнале Nature Communications.
"Идея сильной реакции туннельного транзистора на малые напряжения известна около 15 лет, однако знакомы с ней были лишь ученые, занимающиеся электроникой низкого энергопотребления. До нас никто не осознавал, что это же свойство туннельного транзистора может быть применено для создания терагерцовых детекторов", - заявил заведующий лабораторией МФТИ Дмитрий Свинцов, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. Нобелевская премия 2010 года по физике была присуждена Константину Новоселову и Андрею Гейму, выходцам из России, работающим в Великобритании, за получение и изучение первых образцов графена.
Последующие эксперименты показали, что графен обладает не только рядом уникальных полезных свойств, отсутствующих у других форм углерода, но и некоторыми характеристиками, мешающими его применению на практике. В силу этих сложностей, Гейму и его коллегам из МФТИ лишь три года назад удалось приспособить графен для использования в качестве датчика терагерцовых волн.
Эта форма излучения может использоваться для сверхбыстрой передачи информации, а также создания различных медицинских и научных приборов, использующих терагерцовое излучение для получения изображений внутренних органов и различных объектов неживой природы. Проблема заключается в том, что создание компактных источников и приемников подобных волн оказалось очень сложной задачей.
Квантовое усиление сигнала
Российские и европейские физики решили ее, обратив внимание на то, что прохождение терагерцовых лучей через листы графена будет порождать в нем так называемые плазмонные волны, коллективные колебания электронов и "дырок", отрицательно и положительно заряженных носителей заряда. Эти колебания можно уловить, соединив пленку из графена с транзистором и набором из золотых электродов, похожих по форме на галстук-бабочку.
Гейму и его коллегам удалось в несколько десятков раз повысить чувствительность графеновых детекторов терагерцового излучения, поменяв принципы работы транзистора, декодирующего эти волны. В прошлом, ученые использовали для этих целей обычные полевые транзисторы, которые относительно неплохо справлялись с этой задачей и в целом были сопоставимы в качестве работы с классическими диодными схемами.
Российские и британские физики проверили, что произойдет, если заменить полевой транзистор на его туннельный аналог. Они очень похожи друг на друга по структуре, однако в туннельных транзисторах ток возникает благодаря тому, что движением электронов в нем управляют квантовые эффекты, а не классические законы физики.
Подобный транзистор, как недавно обнаружили ученые, можно легко создать, используя двуслойные структуры из графена, чьими квантовыми свойствами можно легко управлять при помощи электрических полей. Встроив его в центр золотой "бабочки", Гейм, Свинцов и их коллеги проверили, как подобная замена повлияла на работу детектора.
Проведенные ими эксперименты показали, что эта простая процедура повысила чувствительность датчика терагерцовых волн на несколько порядков. Уже сейчас этот графеновый датчик превосходит в некоторых отношениях лучшие сверхпроводниковые и полупроводниковые детекторы терагерцовых волн, однако Гейм и его коллеги предполагают, что более совершенные версии графеновых детекторов будут превосходить их в десятки и сотни раз.
Аналогичные устройства, как отмечают исследователи, можно создать и на базе других, менее экзотических материалов. Это потенциально позволит снизить их себестоимость и максимально расширить их практическое применение уже в ближайшие годы в сфере телекоммуникаций и в других областях науки и техники.
Источник: nauka.tass.ru
