Grafen – pojedyncza warstwa heksagonalnie ułożonych atomów węgla – jest najcieńszym i najbardziej wytrzymałym materiałem znanym człowiekowi oraz doskonałym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Od 2004 roku, kiedy to naukowcy odkryli, jak wyodrębnić go z grafitu, grafen otwiera nowe możliwości w świecie nauki i technologii. Od dziesięciu lat naukowcy przewidują, że jego wyjątkowa struktura sprawi, iż będzie on szczególnie przydatny w konwersji sygnałów optycznych lub elektronicznych na sygnały o znacznie wyższych częstotliwościach. Jednak wszystkie próby udowodnienia tej tezy kończyły się dotąd fiaskiem.
Teraz, po raz pierwszy, zespół naukowców, w tym dwóch wspieranych przez finansowany przez UE projekt EUCALL, udowodnił, że grafen jest w stanie przekształcać sygnały elektroniczne na sygnały w zakresie teraherców, przy bilionach cykli na sekundę. Wyniki pracy zespołu zostały przedstawione w
badaniu opublikowanym w czasopiśmie „Nature”.
Nieliniowa interakcja
Wykorzystywane obecnie elementy elektroniczne oparte na krzemie generują prędkości zegara w zakresie GHz, gdzie 1 GHz jest równy 1000 milionów cykli na sekundę. Naukowcy wykazali, że grafen może przekształcać sygnały o tych częstotliwościach na sygnały o częstotliwościach tysiące razy wyższych, niż te wytwarzane przez krzem.
Jest to możliwe dzięki wysoce skutecznej nieliniowej interakcji pomiędzy światłem a materią, która występuje w grafenie. Naukowcy użyli grafenu zawierającego dużą ilość wolnych elektronów, które powstały w wyniku interakcji pomiędzy grafenem a podłożem, na którym został on osadzony. Po wzbudzeniu oscylującym polem elektrycznym w temperaturze pokojowej, elektrony szybko dzieliły swoją energię z elektronami związanymi w materiale. Dlatego reagowały jak podgrzany płyn, zmieniając się z cieczy w parę wewnątrz grafenu w ciągu bilionowych części sekundy. To przemiana doprowadziła do potężnych i gwałtownych zmian przewodności materiału, zwielokrotniając częstotliwość pierwotnych impulsów GHz.
„Udało nam się właśnie dostarczyć pierwszego bezpośredniego dowodu na zwielokrotnienie częstotliwości z gigaherców do teraherców w monowarstwie grafenowej oraz wygenerować z niezwykłą skutecznością sygnały elektroniczne w zakresie teraherców”, mówi współautor badania i starszy naukowiec z Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dr Michael Gensch w
komunikacie prasowym umieszczony na stronie internetowej partnera projektu.
Wysoka sprawność konwersji
Częstotliwości pierwotnych impulsów elektromagnetycznych, które były generowane w laboratorium TELBE w HZDR, wahały się między 300 a 680 GHz. Naukowcy przetworzyli je na sygnały o trzy-, pięcio- i siedmiokrotnie większej częstotliwości niż częstotliwość początkowa. „Te sprawności konwersji są niezwykle wysokie, biorąc pod uwagę, że oddziaływanie elektromagnetyczne zachodzi w warstwie o grubości pojedynczego atomu”, stwierdzają autorzy w swoich badaniach.
Przełomowe odkrycie dokonane dzięki wsparciu przez projekt EUCALL (European Cluster of Advanced Laser Light Sources) sprawia, że grafen staje się obiecującym kandydatem do przyszłych urządzeń nanoelektronicznych.
Więcej informacji:
strona projektu EUCALL
poleca:
