莫斯科物理和技术研究所 量子隧穿
信用:达里娅·索科尔/MIPT 来自MIPT(莫斯科物理和技术学院)、莫斯科国立师范大学和曼彻斯特大学的科学家已经基于石墨烯中的量子力学隧道效应制造出了一种高灵敏度的太赫兹探测器
该器件的灵敏度已经优于基于半导体和超导体的商用同类产品，这为石墨烯探测器在无线通信、安全系统、射电天文学和医学诊断中的应用开辟了前景
研究结果发表在《自然通讯》上
无线网络中的信息传输是基于将高频连续电磁波转换成离散的比特序列
这种技术被称为信号调制
为了更快地传输比特，必须增加调制频率
然而，这需要载波频率同步增加
普通的调频收音机以100兆赫的频率传输，无线接收器使用大约5千兆赫的频率信号，而5G移动网络可以传输高达20千兆赫的信号
这还远远没有达到极限，载波频率的进一步增加会导致数据传输速率成比例的增加
不幸的是，拾取几百千兆赫或更高频率的信号是一个越来越具有挑战性的问题
无线通信中使用的典型接收机包括一个基于晶体管的弱信号放大器和一个对调制信号的比特序列进行整流的解调器
这种方案起源于无线电和电视时代，在移动系统所需的数百吉赫兹的频率下效率很低
事实是，大多数现有的晶体管都不够快，无法以如此高的频率充电
解决这个问题的一个进化方法就是提高晶体管的最大工作频率
纳米电子学领域的大多数专家都在朝着这个方向努力
20世纪90年代初，物理学家迈克尔·迪亚科诺夫(Michael Dyakonov)和迈克尔·舒尔(Michael Shur)从理论上提出了一种革命性的方法来解决这个问题，并在2018年由这组作者实现
这意味着放弃晶体管有源放大，放弃一个单独的解调器
电路中只剩下一个晶体管，但它的作用现在不同了
由于其电流和电压降之间的非线性关系，它将调制信号本身转换成比特序列或语音信号
在目前的工作中，作者已经证明在所谓的隧道场效应晶体管中太赫兹信号的检测是非常有效的
为了理解它的工作原理，我们可以回忆一下机电继电器的原理，电流通过控制触点，导致两个导体之间的机械连接，从而产生电流
在隧道晶体管中，向控制触点(称为“栅极”)施加电压导致源极和沟道的能级对准
这也导致电流的流动
隧道晶体管的一个显著特征是它对控制电压非常敏感
即使是一个小的能级“失谐”也足以打断量子力学隧穿的微妙过程
类似地，控制栅极处的小电压能够“连接”电平并启动隧道电流
“隧穿晶体管对低电压的强烈反应的想法已经被人们所知大约15年了，”博士说
这项研究的作者之一，MIPT光子学和二维材料中心二维材料光电子学实验室的负责人德米特里·斯温佐夫说
“但它只在低功耗电子领域为人所知
在我们之前，没有人意识到隧道晶体管的相同特性可以应用于太赫兹探测器技术
乔治·阿利莫夫(该研究的合著者)和我有幸在这两个领域工作
我们当时意识到:如果晶体管在低功率的控制信号下打开和关闭，那么它也应该能很好地从周围环境中拾取微弱的信号
" 所创造的装置是基于双层石墨烯，这是一种独特的材料，其中能级的位置(更严格地说，能带结构)可以使用电压来控制
这使得作者能够在单个器件中在经典传输和量子隧穿传输之间切换，只需改变控制触点上的电压极性
这种可能性对于经典和量子隧道晶体管的检测能力的精确比较是极其重要的
实验表明，器件在隧穿模式下的灵敏度比经典传输模式下的灵敏度高几个数量级
在噪声背景下，探测器可分辨的最小信号已经与市场上可买到的超导和半导体测辐射热计的信号竞争
然而，这不是极限——在残留杂质浓度较低的“清洁”设备中，检测器的灵敏度可以进一步提高
经实验验证，所发展的检测理论表明，最佳检测器的灵敏度可提高一百倍
“目前的特征为创造快速、灵敏的无线通信探测器带来了巨大的希望，”该工作的作者Dr
丹尼斯·班杜林
并且该区域不限于石墨烯，也不限于隧道晶体管
我们希望，在同样的成功下，可以创造出一种卓越的探测器，例如，基于电控相变的探测器
石墨烯在这里只是一个很好的发射台，只是一扇门，背后是一个充满令人兴奋的新研究的世界
" 本文给出的结果是几个研究小组成功合作的一个例子
作者指出，正是这种工作形式使他们能够获得世界级的科学成果
例如，早些时候，同一组科学家展示了石墨烯电子海中的波如何有助于太赫兹技术的发展
“在一个技术快速发展的时代，要取得有竞争力的结果变得越来越困难，”Dr
MIPT纳米碳材料实验室副主任乔治·费多罗夫说:“只有联合几个小组的努力和专业知识，我们才能成功地完成最困难的任务，实现最远大的目标，我们将继续这样做
"
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