Российские ученые совместно с британскими коллегами создали высокочувствительный детектор терагерцового излучения, принцип действия которого основан на туннельном эффекте в графене. Чувствительность устройства превосходит коммерческие аналоги на основе полупроводников и сверхпроводников, что открывает перспективы использования нового детектора в беспроводных коммуникациях, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
В беспроводных сетях передача информации происходит за счет превращении непрерывной высокочастотной волны в последовательность битов информации. Это называется модуляцией излучения, чтобы передавать информацию быстрее, необходимо увеличивать ее частоту. При этом нужно синхронно увеличивать частоту несущего излучения. Например, для мобильных систем передачи поколения 5G эта частота достигает двадцати гигагерц. Это не предел, но улавливать сигналы с частотами в сотни гигагерц и выше становится все труднее. Базовый приемник состоит из усилителя на основе транзистора и демодулятора. Большинство существующих транзисторов не успевают перезарядиться со столь высокой частототы.
Возможное решение заключается в отказе от усиления сигнала транзистором и от демодулятора. Теперь роль транзистора состоит в превращении модулированного сигнала в последовательность битов благодаря нелинейной зависимости между током и напряжением. Физики Московского физико-технического института с коллегами из Московского педагогического государственного университета и Манчестерcкого университета — в том числе и лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года Андрей Гейм — показали, что детектирование терагерцового сигнала очень эффективно при использовании туннельного транзистора, очень чувствительного к управляющему напряжению.
«Идея сильной реакции туннельного транзистора на малые напряжения известна около пятнадцати лет, — рассказывает один из авторов Дмитрий Свинцов. — Однако известна она была лишь в среде ученых, занимающихся электроникой низкого энергопотребления. До нас никто не осознавал, что это же свойство туннельного транзистора может быть применено в технологии терагерцовых детекторов. Нам с соавтором исследования Георгием Алымовым повезло поработать в обеих сферах. Тогда мы поняли: если транзистор хорошо открывается и закрывается при малой мощности управляющего сигнала, то он должен и хорошо улавливать слабый сигнал “из воздуха”».
Новый прибор основан на двухслойном графене, в этом материале положением энергетических уровней можно управлять с помощью электрического напряжения. Это позволило авторам переключаться между режимами классического и квантового туннельного транспорта внутри одного прибора.
Эксперимент показал, что чувствительность устройства в туннельном режиме на несколько порядков превосходит аналогичную величину в режиме классического транспорта. Минимальный сигнал, различаемый детектором на фоне шума, уже конкурирует с аналогичным показателем у коммерчески доступных сверхпроводниковых и полупроводниковых болометров. Однако и это не предел: чувствительность детектора может быть увеличена и далее. Развитая теория детектирования, проверенная нынешним экспериментом, показывает, что чувствительность «оптимального» детектора может быть в сотню раз выше.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
