Квантовое туннелирование приближает беспроводную связь в терагерцовом диапазоне

Ученые из МФТИ, Московского педагогического государственного университета и Манчестерского университета создали высокочувствительный терагерцовый детектор, основанный на эффекте квантово-механического туннелирования в графене.

По чувствительности устройство уже превосходит коммерчески доступные аналоги на основе полупроводников и сверхпроводников, что открывает перспективы применения графенового детектора в беспроводной связи, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications .

Передача информации в беспроводных сетях основана на преобразовании высокочастотной непрерывной электромагнитной волны в дискретную последовательность битов. Этот метод известен как модуляция сигнала.

Для более быстрой передачи битов необходимо увеличить частоту модуляции. Однако для этого требуется синхронное увеличение несущей частоты. Обычное FM-радио передает на частотах до ста мегагерц, приемник Wi-Fi использует сигналы с частотой примерно пять гигагерц, а мобильные сети 5G могут передавать сигнал до 20 гигагерц. Это далеко не предел, и дальнейшее увеличение несущей частоты допускает пропорциональное увеличение скорости передачи данных. К сожалению, прием сигналов с частотами в сотни гигагерц и выше становится все более сложной задачей.

Типичный приемник, используемый в беспроводной связи, состоит из транзисторного усилителя слабых сигналов и демодулятора, который выпрямляет последовательность битов из модулированного сигнала. Эта схема возникла в эпоху радио и телевидения и становится неэффективной на частотах в сотни гигагерц, желательных для мобильных систем. Дело в том, что большинство существующих транзисторов недостаточно быстры, чтобы работать на такой высокой частоте.

Эволюционный путь решения этой проблемы — просто увеличить максимальную рабочую частоту транзистора. Большинство специалистов в области наноэлектроники активно работают в этом направлении. Революционный способ решения проблемы был теоретически предложен в начале 1990-х годов физиками Михаилом Дьяконовым и Майклом Шуром и реализован, в том числе, группой авторов в 2018 году. Он предполагает отказ от активного усиления транзистором и отказ от отдельного демодулятора. В схеме остался один транзистор, но теперь его роль изменилась. Он сам преобразует модулированный сигнал в битовую последовательность или речевой сигнал из-за нелинейной зависимости между его током и падением напряжения.

В настоящей работе авторы доказали, что обнаружение терагерцового сигнала очень эффективно в так называемом туннельном полевом транзисторе. Чтобы понять его работу, достаточно вспомнить принцип работы электромеханического реле, где прохождение тока через управляющие контакты приводит к механическому соединению двух проводников и, следовательно, к возникновению тока.

В туннельном транзисторе подача напряжения на управляющий контакт (называемый «затвор») приводит к выравниванию уровней энергии источника и канала. Это также приводит к протеканию тока. Отличительной особенностью туннельного транзистора является очень высокая чувствительность к управляющему напряжению. Даже небольшой «расстройки» энергетических уровней достаточно, чтобы прервать тонкий процесс квантово-механического туннелирования.

«Идея сильной реакции туннельного транзистора на низкие напряжения известна около пятнадцати лет», — говорит Дмитрий Свинцов, один из авторов исследования, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов в центре МФТИ.

«Но об этом известно только в сообществе маломощной электроники. Никто до нас не понимал, что то же свойство туннельного транзистора можно применить в технологии терагерцовых детекторов. Мы поняли: если транзистор открывается и закрывается при малой мощности управляющего сигнала, он также должен хорошо улавливать слабые сигналы из окружающей среды».

Новое устройство создано на основе двухслойного графена — уникального материала, в котором положением энергетических уровней (точнее, зонной структурой) можно управлять с помощью электрического напряжения. Это позволило авторам переключаться между классическим методом и квантовым туннелированием в одном устройстве, просто меняя полярности напряжения на управляющих контактах. Эта возможность чрезвычайно важна для точного сравнения детектирующей способности классического и квантового туннельного транзистора.

Эксперимент показал, что чувствительность устройства в туннельном режиме на несколько порядков выше, чем в классическом режиме. Минимальный сигнал, различимый детектором на шумном фоне, уже составляет конкуренцию коммерчески доступным сверхпроводящим и полупроводниковым болометрам.

Однако это не предел — чувствительность детектора можно дополнительно повысить в «более чистых» приборах с низкой концентрацией остаточных примесей. Разработанная теория обнаружения, проверенная экспериментально, показывает, что чувствительность оптимального детектора может быть в сотни раз выше.

«Текущие характеристики вселяют большие надежды на создание быстрых и чувствительных детекторов для беспроводной связи» , — говорит автор работы Денис Бандурин. И эта область не ограничивается графеном и не ограничивается туннельными транзисторами. Мы ожидаем, что с таким же успехом можно будет создать замечательный детектор, например, на основе электрически управляемого фазового перехода. Графен оказался здесь просто хорошей стартовой площадкой, просто дверью, за которой скрывается целый мир новых интересных исследований».

Результаты, представленные в этой статье, являются примером успешного сотрудничества между несколькими исследовательскими группами. Авторы отмечают, что именно такой формат работы позволяет им получать научные результаты мирового уровня.

Nature Communications (2021). DOI: 10.1038 / s41467-020-20721-z