La tunelización cuántica en grafeno avanza la era de las comunicaciones inalámbricas de terahercios

Túneles cuánticos. Crédito: Daria Sokol / MIPT

Científicos del MIPT, la Universidad Estatal Pedagógica de Moscú y la Universidad de Manchester han creado un detector de terahercios de alta sensibilidad basado en el efecto del túnel mecánico cuántico en el grafeno. 

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La sensibilidad del dispositivo ya es superior a los análogos disponibles comercialmente basados ​​en semiconductores y superconductores, lo que abre perspectivas para aplicaciones del detector de grafeno en comunicaciones inalámbricas, sistemas de seguridad, radioastronomía y diagnósticos médicos. Los resultados de la investigación se publican en Nature Communications.

La transferencia de información en redes inalámbricas se basa en la transformación de una onda electromagnética continua de alta frecuencia en una secuencia discreta de bits. Esta técnica se conoce como modulación de señal. Para transferir los bits más rápido, hay que aumentar la frecuencia de modulación. Sin embargo, esto requiere un aumento sincrónico de la frecuencia de la portadora. Una radio FM común transmite a frecuencias de cien megahercios, un receptor de Wi-Fi usa señales de aproximadamente cinco gigahercios de frecuencia, mientras que las redes móviles 5G pueden transmitir señales de hasta 20 gigahercios. Esto está lejos del límite, y un mayor aumento en la frecuencia de la portadora admite un aumento proporcional en las tasas de transferencia de datos. Desafortunadamente, captar señales con frecuencias de cien gigahercios o más es un problema cada vez más desafiante.

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Un receptor típico utilizado en comunicaciones inalámbricas consiste en un amplificador de señales débiles basado en transistores y un demodulador que rectifica la secuencia de bits de la señal modulada. Este esquema se originó en la era de la radio y la televisión y se vuelve ineficaz en frecuencias de cientos de gigahercios deseables para los sistemas móviles. El hecho es que la mayoría de los transistores existentes no son lo suficientemente rápidos para recargarse a una frecuencia tan alta.

Una forma evolutiva de resolver este problema es simplemente aumentar la frecuencia máxima de operación de un transistor. La mayoría de los especialistas en el área de la nanoelectrónica trabajan arduamente en esta dirección. Una forma revolucionaria de resolver el problema fue propuesta teóricamente a principios de la década de 1990 por los físicos Michael Dyakonov y Michael Shur, y realizada, entre otros, por el grupo de autores en 2018. Implica abandonar la amplificación activa por transistor y abandonar un demodulador separado. . Lo que queda en el circuito es un solo transistor, pero su función ahora es diferente. Transforma una señal modulada en secuencia de bits o señal de voz por sí misma, debido a la relación no lineal entre su corriente y caída de voltaje.

En el presente trabajo, los autores han demostrado que la detección de una señal de terahercios es muy eficiente en el llamado transistor de efecto de campo de efecto túnel. Para comprender su trabajo, uno puede recordar el principio de un relé electromecánico, donde el paso de la corriente a través de los contactos de control conduce a una conexión mecánica entre dos conductores y, por lo tanto, a la aparición de la corriente. En un transistor de efecto túnel, la aplicación de voltaje al contacto de control (denominado “puerta”) conduce a la alineación de los niveles de energía de la fuente y el canal. Esto también conduce al flujo de corriente. Una característica distintiva de un transistor de efecto túnel es su gran sensibilidad al voltaje de control. Incluso una pequeña “desafinación” de los niveles de energía es suficiente para interrumpir el sutil proceso de tunelización de la mecánica cuántica. 

“La idea de una fuerte reacción de un transistor tunelizado a bajos voltajes se conoce desde hace unos quince años“, dice el Dr. Dmitry Svintsov, uno de los autores del estudio, jefe del laboratorio de optoelectrónica de materiales bidimensionales en el centro MIPT. para fotónica y materiales 2-D. “Pero sólo se conoce en la comunidad de la electrónica de baja potencia. Nadie se dio cuenta antes que nosotros de que la misma propiedad de un transistor de efecto túnel se puede aplicar en la tecnología de detectores de terahercios. Georgy Alymov (coautor del estudio) y yo Tuvimos la suerte de trabajar en ambas áreas. Entonces nos dimos cuenta: si el transistor se abre y se cierra a una potencia baja de la señal de control, entonces también debería ser bueno para captar señales débiles del ambiente circundante”.

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El dispositivo creado se basa en grafeno bicapa, un material único en el que la posición de los niveles de energía (más estrictamente, la estructura de la banda) se puede controlar mediante un voltaje eléctrico. Esto permitió a los autores cambiar entre el transporte clásico y el transporte de túnel cuántico dentro de un solo dispositivo, con solo un cambio en las polaridades del voltaje en los contactos de control. Esta posibilidad es de extrema importancia para una comparación precisa de la capacidad de detección de un transistor de túnel clásico y cuántico.

El experimento mostró que la sensibilidad del dispositivo en el modo de túnel es unos órdenes de magnitud más alta que en el modo de transporte clásico. La señal mínima que puede distinguir el detector frente al ruido de fondo ya compite con la de los bolómetros superconductores y semiconductores disponibles comercialmente. Sin embargo, este no es el límite: la sensibilidad del detector se puede aumentar aún más en dispositivos “más limpios” con una baja concentración de impurezas residuales. La teoría de detección desarrollada, probada por el experimento, muestra que la sensibilidad del detector óptimo puede ser cien veces mayor.

“Las características actuales dan lugar a grandes esperanzas para la creación de detectores rápidos y sensibles para comunicaciones inalámbricas “, dice el autor del trabajo, Dr. Denis Bandurin. Y esta área no se limita al grafeno y no se limita a los transistores de túnel. Esperamos que, con el mismo éxito, se pueda crear un detector notable, por ejemplo, basado en una transición de fase controlada eléctricamente. El grafeno resultó ser solo una buena plataforma de lanzamiento aquí, solo una puerta, detrás de la cual hay todo un mundo de nuevas y emocionantes investigaciones”.

Los resultados presentados en este artículo son un ejemplo de una colaboración exitosa entre varios grupos de investigación. Los autores señalan que es este formato de trabajo el que les permite obtener resultados científicos de clase mundial. Por ejemplo, anteriormente, el mismo equipo de científicos demostró cómo las ondas en el mar de electrones del grafeno pueden contribuir al desarrollo de la tecnología de terahercios. “En una era de tecnología en rápida evolución, cada vez es más difícil lograr resultados competitivos”, comenta el Dr. Georgy Fedorov, subdirector del laboratorio de materiales de nanocarbono, MIPT, “Solo combinando los esfuerzos y la experiencia de varios grupos podemos lograr con éxito realizar las tareas más difíciles y lograr las metas más ambiciosas, que seguiremos haciendo“.