Laserpulsen in grafeenregelelektronen met bliksemsnelheid en nanometer precisie

Een onderzoeksteam in Kiel heeft een eerder onbekend effect aangetoond in grafeen – een enkele laag koolstofatomen waarvan de ontdekking de Nobelprijs van 2010 heeft verdiend. Jarenlang wordt grafeen gezien als een veelbelovend materiaal voor nano -elektronica, dankzij de uitzonderlijke geleidbaarheid, flexibiliteit en stabiliteit. Nu hebben onderzoekers van het Institute of Theoretical Physics and Astrophysics aan de Kiel University deze belofte nog een stap verder gebracht.

In een studie gepubliceerd in Fysiek onderzoek onderzoekDr. Jan-Philip Joost en professor Michael Bonitz laten voor het eerst zien dat lichte pulsen elektronen kunnen genereren op specifieke aangewezen locaties in het materiaal. Om te onderzoeken hoe elektronen bewegen en op elkaar inwerken, simuleerden ze de effecten van laserpulsen op kleine grafeenclusters. Hun resultaten openen volledig nieuwe benaderingen voor nano -elektronica.

Lichte pulsen als nanoschaalschakelaars

In deze systemen werken ultrashort laserpulsen als lichtschakelaars op het nanoschaal. Binnen alleen femtoseconden – een miljoenste van een miljardste van een seconde – schakelen ze elektronen aan en uit op precies gedefinieerde vlekken. Wanneer een puls een grafeencluster raakt, verzamelen elektronen zich aan één rand. Een tweede puls kan bijna onmiddellijk elektronen genereren op een andere site. De onderzoekers kunnen de elektronen met een hoge precisie sturen, zoals een verkeerslicht dat hen leidt waar ze heen moeten.

“We hebben deze ruimtelijke selectiviteit ontdekt in een chemisch volledig homogeen materiaal – Graphene bestaat uitsluitend uit koolstof”, legt Bonitz uit. “Tot nu toe was een dergelijk effect alleen bekend in moleculen samengesteld uit verschillende atomen met verschillende absorptie -eigenschappen. In onze grafeenclusters komt de controle uitsluitend uit de elektronische structuur en uit speciale topologische toestanden. Zelfs onder kleine perturbaties blijven de elektronenposities stabiel, waardoor de controle betrouwbaar is.”

Uitdagingen voor integratie in echte apparaten

De bevindingen kunnen een belangrijke stap voorwaarts markeren voor elektronica van de volgende generatie. De transistors van vandaag werken in het Gigahertz -assortiment. Op grafeen gebaseerde componenten geschakeld door laserpulsen kunnen functioneren in het Petahertz-bereik-tot 10.000 keer sneller.

In communicatiesystemen kunnen nauwkeurig geleide elektronenpaden snelle gegevensoverdracht mogelijk maken met minimaal energieverbruik. Dit opent mogelijkheden voor krachtige computing, AI-chips en andere ultrasnelle elektronische systemen. De uitdaging is nu om de geëxciteerde elektronen betrouwbaar in werkelijke circuits te integreren.

“Als deze processen kunnen worden overgebracht naar echte apparaten, zou dit een enorme sprong zijn voor nano -elektronica”, zegt Joost.