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In der Quantenmaterie ist alles unter Kontrolle – ScienceDaily

Wie können große Datenmengen so schnell wie möglich übertragen oder verarbeitet werden? Graphen könnte ein Schlüssel dazu sein. Ein extrem dünnes Material ist nur eine Atomschicht, und die Elektronen, die es enthalten, haben aufgrund von Quanteneffekten ganz besondere Eigenschaften. Daher kann es sehr gut für den Einsatz in elektronischen Hochleistungskomponenten geeignet sein. Bis zu diesem Punkt fehlte es an Wissen darüber, wie bestimmte Eigenschaften von Graphen angemessen gesteuert werden können. Eine neue Studie eines Wissenschaftlerteams aus Bielefeld und Berlin zusammen mit Forschern anderer Forschungsinstitute in Deutschland und Spanien ändert dies. Die Ergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschritte in der Wissenschaft.

Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen und ist ein nur ein Atom dickes Material, in dem die Atome in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Diese Anordnung der Atome führt zu der einzigartigen Eigenschaft von Graphen: Elektronen in diesem Material bewegen sich so, als hätten sie keine Masse. Dieses “masselose” Verhalten der Elektronen führt zu einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit in Graphen, und vor allem bleibt diese Eigenschaft bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen erhalten. Daher ist Graphen möglicherweise für moderne elektronische Anwendungen sehr interessant.

Kürzlich wurde entdeckt, dass die hohe elektronische Leitfähigkeit und das “masselose” Verhalten seiner Elektronen es Graphen ermöglichen, die Frequenzkomponenten der durch sie fließenden elektrischen Ströme zu verändern. Diese Eigenschaft hängt stark davon ab, wie stark dieser Strom ist. In der modernen Elektronik umfasst diese Nichtlinearität eine der grundlegendsten Funktionen der elektrischen Signalumschaltung und -verarbeitung. Was Graphen einzigartig macht, ist, dass seine Nichtlinearität das stärkste aller elektronischen Materialien ist. Darüber hinaus ist es bei außergewöhnlich hohen elektronischen Frequenzen äußerst leistungsfähig und erstreckt sich bis in den technisch wichtigen THz-Bereich, in dem die meisten herkömmlichen elektronischen Materialien versagen.

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In ihrer neuen Studie zeigte das Forscherteam aus Deutschland und Spanien, dass die Nichtlinearität von Graphen durch Anlegen einer relativ geringen elektrischen Spannung an das Material sehr effizient gesteuert werden kann. Aus diesem Grund haben Forscher ein Gerät entwickelt, das wie ein Transistor aussieht, bei dem eine Steuerspannung über eine Reihe von elektrischen Kontakten an Graphen angelegt werden kann. Dann wurden die ultrahochfrequenten THz-Signale mit der Vorrichtung übertragen: Die Übertragung und anschließende Transformation dieser Signale wurde dann in Bezug auf die angelegte Spannung analysiert. Forscher haben herausgefunden, dass Graphen bei einer bestimmten Spannung nahezu vollständig transparent wird – und seine typischerweise starke nichtlineare Reaktion fast verschwindet. Durch leichtes Erhöhen oder Verringern der Spannung von diesem kritischen Wert aus kann Graphen stark in ein nichtlineares Material umgewandelt werden, wodurch die Stärke- und Frequenzkomponenten der übertragenen und transformierten elektronischen THz-Signale stark verändert werden.

“Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Anwendung von Graphen in der elektrischen Signalverarbeitung und Signalmodulation”, sagte Professor Dmitry Turchinovich, Physiker an der Universität Bielefeld und einer der Co-Lehrstühle der Studie. „Wir haben bereits früher erklärt, dass Graphen bei weitem das nichtlineare Funktionsmaterial ist, das wir kennen. Wir verstehen auch die Physik hinter der Nichtlinearität, die heute als thermodynamisches Profil des ultraschnellen Elektronentransports in Graphen bekannt ist. Bisher wussten wir jedoch nicht, wie wir dies steuern können Nichtlinearität., Welches war das fehlende Glied in Bezug auf die Verwendung von Graphen in der alltäglichen Technologie.

“Durch Anlegen einer Steuerspannung an Graphen konnten wir die Anzahl der Elektronen im Material ändern, die sich frei bewegen können, wenn ein elektrisches Signal an das Graphen angelegt wird”, erklärt Dr. Hassan A. Hafiz, Mitglied von Prof. Dr. Turchinovitch . Labor in Bielefeld, einer der Hauptautoren der Studie. “Einerseits sind die Ströme umso stärker, je größer die Fähigkeit der Elektronen ist, sich als Reaktion auf das angelegte elektrische Feld zu bewegen. Dies sollte die Nichtlinearität erhöhen. Andererseits sind die freien Elektronen umso stärker, je mehr freie Elektronen verfügbar sind.” Wechselwirkung zwischen ihnen und dies verhindert Nichtlinearität. Hier haben wir – experimentell und theoretisch – gezeigt, dass durch Anlegen einer relativ schwachen externen Spannung von nur wenigen Volt optimale Bedingungen für das stärkste nichtlineare THz in Graphen geschaffen werden können.

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“Mit dieser Arbeit haben wir einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu Graphen als hochwirksames nichtlineares funktionelles Quantenmaterial in Geräten wie THz-Frequenzumrichtern, Mischern und Modifikatoren erreicht”, sagt Professor Michael Ginsch vom Institut für Optik. Sensorsysteme am Deutschen Raumfahrtzentrum (DLR) und an der Technischen Universität Berlin, dem anderen Lehrstuhl dieser Studie. „Dies ist äußerst wichtig, da Graphen vollständig mit elektronischer Hochfrequenz-Halbleitertechnologie wie CMOS oder Bi-CMOS kompatibel ist. Daher können jetzt Hybridgeräte vorgestellt werden, bei denen das primäre elektrische Signal mit der vorhandenen Halbleitertechnologie mit einer niedrigeren Frequenz erzeugt wird kann aber sehr effizient in Frequenzen umgewandelt werden. Höher als THz in Graphen, alles auf vollständig kontrollierbare und vorhersehbare Weise. “

Quelle der Geschichte:

Materialien Einführung von Universität Bielefeld. Hinweis: Der Inhalt kann je nach Stil und Länge geändert werden.