Tout sous contrôle dans un matériau quantique – Technoguide

Comment de grandes quantités de données peuvent-elles être transférées ou traitées le plus rapidement possible? Une clé à cela pourrait être le graphène. Le matériau ultra-mince n’a qu’une couche atomique d’épaisseur et les électrons qu’il contient ont des propriétés très spéciales en raison des effets quantiques. Il pourrait donc être très bien adapté à une utilisation dans des composants électroniques performants. Jusqu’à ce point, cependant, il y a eu un manque de connaissances sur la manière de contrôler convenablement certaines propriétés du graphène. Une nouvelle étude menée par une équipe de scientifiques de Bielefeld et de Berlin, en collaboration avec des chercheurs d’autres instituts de recherche en Allemagne et en Espagne, est en train de changer la donne. Les résultats de l’équipe ont été publiés dans la revue Science Advances.

Composé d’atomes de carbone, le graphène est un matériau d’un seul atome d’épaisseur où les atomes sont disposés dans un réseau hexagonal. Cette disposition des atomes est ce qui donne la propriété unique du graphène: les électrons de ce matériau se déplacent comme s’ils n’avaient pas de masse. Ce comportement “sans masse” des électrons conduit à une conductivité électrique très élevée dans le graphène et, surtout, cette propriété est maintenue à température ambiante et dans les conditions ambiantes. Le graphène est donc potentiellement très intéressant pour les applications électroniques modernes.

Il a été récemment découvert que la conductivité électronique élevée et le comportement «sans masse» de ses électrons permettent au graphène de modifier les composantes de fréquence des courants électriques qui le traversent. Cette propriété dépend fortement de la force de ce courant. Dans l’électronique moderne, une telle non-linéarité comprend l’une des fonctionnalités les plus basiques pour la commutation et le traitement des signaux électriques. Ce qui rend le graphène unique, c’est que sa non-linéarité est de loin le plus résistant de tous les matériaux électroniques. De plus, il fonctionne très bien pour des fréquences électroniques exceptionnellement élevées, s’étendant dans la plage des térahertz (THz) technologiquement importante où la plupart des matériaux électroniques conventionnels échouent.

Dans leur nouvelle étude, l’équipe de chercheurs allemands et espagnols a démontré que la non-linéarité du graphène peut être contrôlée très efficacement en appliquant des tensions électriques relativement modestes au matériau. Pour cela, les chercheurs ont fabriqué un appareil ressemblant à un transistor, où une tension de commande pourrait être appliquée au graphène via un ensemble de contacts électriques. Ensuite, des signaux THz ultra-haute fréquence ont été transmis à l’aide du dispositif: la transmission et la transformation ultérieure de ces signaux ont ensuite été analysées en fonction de la tension appliquée. Les chercheurs ont découvert que le graphène devient presque parfaitement transparent à une certaine tension – sa réponse non linéaire normalement forte disparaît presque. En augmentant ou en abaissant légèrement la tension à partir de cette valeur critique, le graphène peut être transformé en un matériau fortement non linéaire, modifiant considérablement la force et les composantes de fréquence des signaux électroniques THz transmis et remis.

«Il s’agit d’un pas en avant important vers la mise en œuvre du graphène dans les applications de traitement du signal électrique et de modulation du signal», déclare le professeur Dmitry Turchinovich, physicien à l’Université de Bielefeld et l’un des responsables de cette étude. “Auparavant, nous avions déjà démontré que le graphène est de loin le matériau fonctionnel le plus non linéaire que nous connaissons. Nous comprenons également la physique derrière la non-linéarité, qui est maintenant connue sous le nom d’image thermodynamique du transport d’électrons ultra-rapide dans le graphène. Mais jusqu’à présent, nous ne savions pas comment pour contrôler cette non-linéarité, qui était le chaînon manquant par rapport à l’utilisation du graphène dans les technologies de tous les jours. “

«En appliquant la tension de commande au graphène, nous avons pu modifier le nombre d’électrons dans le matériau qui peuvent se déplacer librement lorsque le signal électrique lui est appliqué», explique le Dr Hassan A. Hafez, membre du professeur Dr Turchinovich. laboratoire à Bielefeld, et l’un des principaux auteurs de l’étude. “D’une part, plus les électrons peuvent se déplacer en réponse au champ électrique appliqué, plus les courants sont forts, ce qui devrait améliorer la non-linéarité. Mais d’autre part, plus il y a d’électrons libres disponibles, plus l’interaction entre eux est forte, et cela supprime la non-linéarité. Ici, nous avons démontré – à la fois expérimentalement et théoriquement – qu’en appliquant une tension externe relativement faible de seulement quelques volts, les conditions optimales pour la non linéarité THz la plus forte dans le graphène peuvent être créées. “

«Avec ce travail, nous avons franchi une étape importante sur la voie de l’utilisation du graphène comme matériau quantique fonctionnel non linéaire extrêmement efficace dans des dispositifs tels que les convertisseurs de fréquence THz, les mélangeurs et les modulateurs», déclare le professeur Michael Gensch de l’Institute of Optical Sensor Systems du Centre aérospatial allemand (DLR) et de l’Université technique de Berlin, qui est l’autre responsable de cette étude. «Ceci est extrêmement pertinent car le graphène est parfaitement compatible avec la technologie électronique des semi-conducteurs ultra-haute fréquence existante telle que CMOS ou Bi-CMOS. Il est donc maintenant possible d’envisager des dispositifs hybrides dans lesquels le signal électrique initial est généré à une fréquence plus basse en utilisant la technologie des semi-conducteurs existante. mais peut alors être converti très efficacement à des fréquences THz beaucoup plus élevées dans le graphène, le tout d’une manière entièrement contrôlable et prévisible. “

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université de Bielefeld. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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