Onderzoeksteam demonstreert controlemechanisme voor kwantummateriaal

Hoe kunnen grote hoeveelheden gegevens zo snel mogelijk worden overgedragen of verwerkt? Een sleutel hiervoor zou grafeen kunnen zijn. Het ultradunne materiaal is slechts één atoomlaag dik en de elektronen die het bevat hebben door kwantumeffecten zeer speciale eigenschappen. Het zou daarom zeer geschikt kunnen zijn voor gebruik in hoogwaardige elektronische componenten. Tot nu toe was er echter een gebrek aan kennis over hoe bepaalde eigenschappen van grafeen op de juiste manier kunnen worden beheerd. Een nieuwe studie door een team van wetenschappers uit Bielefeld en Berlijn, samen met onderzoekers van andere onderzoeksinstituten in Duitsland en Spanje, brengt hierin verandering. De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances​

Grafeen, bestaande uit koolstofatomen, is een materiaal met een dikte van slechts één atoom, waarbij de atomen in een hexagonaal rooster zijn gerangschikt. Deze ordening van atomen resulteert in de unieke eigenschap van grafeen: de elektronen in dit materiaal bewegen alsof ze geen massa hebben. Dit “massaloze” gedrag van elektronen leidt tot een zeer hoge elektrische geleidbaarheid in grafeen en, belangrijker nog, deze eigenschap blijft behouden bij kamertemperatuur en onder omgevingsomstandigheden. Grafeen is daarom potentieel zeer interessant voor moderne elektronicatoepassingen.

Onlangs werd ontdekt dat grafeen door de hoge elektronische geleidbaarheid en het “massaloze” gedrag van zijn elektronen de frequentiecomponenten van elektrische stromen die er doorheen gaan, kan veranderen. Deze eigenschap is sterk afhankelijk van hoe sterk deze stroom is. In de moderne elektronica omvat een dergelijke niet-lineariteit een van de meest elementaire functionaliteiten voor het schakelen en verwerken van elektrische signalen. Wat grafeen uniek maakt, is dat de niet-lineariteit ervan verreweg de sterkste van alle elektronische materialen is. Bovendien werkt het erg goed voor uitzonderlijk hoge elektronische frequenties, en strekt het zich uit tot het technologisch belangrijke terahertz (THz) -bereik waar de meeste conventionele elektronische materialen falen.

In hun nieuwe studie heeft het team van onderzoekers uit Duitsland en Spanje aangetoond dat de niet-lineariteit van grafeen zeer efficiënt kan worden gecontroleerd door relatief bescheiden elektrische spanningen op het materiaal toe te passen. Hiervoor hebben de onderzoekers een apparaat gemaakt dat lijkt op een transistor, waar via een reeks elektrische contacten een stuurspanning op grafeen kan worden aangebracht. Vervolgens werden ultrahoogfrequente THz-signalen verzonden met behulp van het apparaat: de verzending en daaropvolgende transformatie van deze signalen werden vervolgens geanalyseerd in relatie tot de aangelegde spanning. De onderzoekers ontdekten dat grafeen bijna perfect transparant wordt bij een bepaald voltage – de normaal gesproken sterke niet-lineaire respons verdwijnt bijna. Door de spanning enigszins te verhogen of te verlagen vanaf deze kritische waarde, kan grafeen worden omgezet in een sterk niet-lineair materiaal, waardoor de sterkte en de frequentiecomponenten van de verzonden en uitgezonden elektronische THz-signalen aanzienlijk worden gewijzigd.

“Dit is een belangrijke stap voorwaarts in de richting van de implementatie van grafeen in toepassingen voor elektrische signaalverwerking en signaalmodulatie”, zegt prof. Dmitry Turchinovich, een natuurkundige aan de Universiteit van Bielefeld en een van de hoofden van deze studie. “Eerder hadden we al aangetoond dat grafeen verreweg het meest niet-lineaire functionele materiaal is dat we kennen. We begrijpen ook de fysica achter niet-lineariteit, dat nu bekend staat als een thermodynamisch beeld van ultrasnel elektronentransport in grafeen. Maar tot nu toe wisten we niet hoe om deze niet-lineariteit te beheersen, wat de ontbrekende schakel was met betrekking tot het gebruik van grafeen in alledaagse technologieën. ”

“Door de stuurspanning op grafeen toe te passen, waren we in staat om het aantal elektronen in het materiaal dat vrij kan bewegen wanneer het elektrische signaal erop wordt toegepast, te veranderen”, legt dr. Hassan A. Hafez uit, een lid van professor dr. Turchinovich. lab in Bielefeld, en een van de hoofdauteurs van de studie. “Aan de ene kant geldt dat hoe meer elektronen kunnen bewegen als reactie op het aangelegde elektrische veld, hoe sterker de stromen, wat de niet-lineariteit zou moeten versterken. Maar aan de andere kant, hoe meer vrije elektronen beschikbaar zijn, hoe sterker de interactie tussen hen is, en dit onderdrukt de niet-lineariteit. Hier hebben we aangetoond – zowel experimenteel als theoretisch – dat door een relatief zwakke externe spanning van slechts een paar volt aan te leggen, de optimale omstandigheden voor de sterkste THz-nonlin-iteit in grafeen kunnen worden gecreëerd. “

“Met dit werk hebben we een belangrijke mijlpaal bereikt op weg naar het gebruik van grafeen als een uiterst efficiënt niet-lineair functioneel kwantummateriaal in apparaten zoals THz-frequentieomvormers, mixers en modulatoren”, zegt professor Dr. Michael Gensch van het Institute of Optical Sensorsystemen van het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) en de Technische Universiteit van Berlijn, die het andere hoofd van deze studie is. Dit is buitengewoon relevant omdat grafeen perfect compatibel is met bestaande elektronische ultrahoge frequentie halfgeleidertechnologie zoals CMOS of Bi-CMOS. Het is daarom nu mogelijk om hybride apparaten voor te stellen waarin het initiële elektrische signaal wordt gegenereerd op een lagere frequentie met behulp van bestaande halfgeleidertechnologie. maar kan dan zeer efficiënt worden opgewaardeerd naar veel hogere THz-frequenties in grafeen, alles op een volledig controleerbare en voorspelbare manier. “

Onderzoekers van de Universiteit van Bielefeld, het Institute of Optical Sensor Systems of the DLR, de Tech-nical University of Berlin, het Helmholtz Center Dresden-Rossendorf, en het Max Planck Institute for Polymer Research in Duitsland, evenals het Catalan Institute of Nanoscience en Nanotechnologie (ICN2) en het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO) in Spanje namen deel aan deze studie.