Le graphène atteint un jalon quantique important pour le transfert de données THz. Mais cela fonctionnera-t-il ?

Les chercheurs utilisent déjà le graphène, un matériau à base de carbone pour de nombreuses choses, y compris de nouvelles applications dans la science des matériaux et électronique. Aujourd’hui, une équipe basée à l’Université de Bielefeld en Allemagne a trouvé une autre utilisation potentielle pour ce matériau polyvalent : le transfert de données à grande vitesse.

Les chercheurs de cette université ont travaillé aux côtés d’autres scientifiques de diverses institutions en Allemagne et en Espagne pour explorer les effets quantiques du graphène et son utilisation potentielle dans les composants électroniques haute performance pour le transfert de données. Ils ont découvert que cette application potentielle dépend de la capacité des scientifiques à contrôler certaines propriétés du graphène, c’est là que la nouvelle recherche entre en jeu.

Plus précisément, les chercheurs démontré qu’une propriété du graphène – sa non-linéarité – peut être efficacement contrôlé en appliquant des tensions électriques relativement modestes au matériau.

Cet aspect du graphène est important en raison de sa non-linéarité qui est de loin la plus forte de tous les matériaux électroniques, ont déclaré les chercheurs. Et dans l’électronique moderne, une telle non-linéarité comprend l’une des fonctionnalités les plus élémentaires pour la commutation et le traitement, ont-ils déclaré.

« Il s’agit d’un pas en avant important vers la mise en œuvre du graphène dans les applications de traitement et de modulation du signal électrique », a déclaré Dmitry Turchinovich, physicien à l’Université de Bielefeld et l’un des principaux chercheurs, dans un communiqué de presse.

L’avenir des données est le graphène

En effet, les scientifiques arrivent au bout du chemin pour certaines technologies de transfert de données à haut débit et recherchent de nouveaux matériaux pour l’avenir des composants des processeurs responsables de cet aspect de notre monde de plus en plus connecté. Un matériau comme le graphène a le potentiel d’être l’un de ces matériaux.

Le matériau est particulièrement attrayant car il fonctionne très bien pour des fréquences électroniques exceptionnellement élevées, s’étendant jusqu’à la gamme technologiquement importante des térahertz (THz) où la plupart des matériaux électroniques conventionnels échouent, ont noté les chercheurs.

Avant leurs derniers travaux, l’équipe avait acquis une nouvelle compréhension de la physique derrière la non-linéarité, qui est maintenant connue sous le nom d’image thermodynamique du transport ultrarapide des électrons dans le graphène, a-t-il déclaré. Mais jusqu’à présent, ils ne savaient pas comment contrôler cette propriété, « qui était le chaînon manquant en ce qui concerne l’utilisation du graphène dans les technologies de tous les jours », a déclaré Turchinovich.

La non-linéarité du graphène dépend fortement de la force du courant électrique qui le traverse. Pour contrôler la propriété en appliquant des tensions électriques au matériau, les chercheurs ont fabriqué un dispositif ressemblant à un transistor qui peut appliquer une tension de commande à l’aide d’un ensemble de contacts électriques, ont-ils déclaré. Ensuite, ils ont transmis des signaux THz à ultra haute fréquence à l’aide de l’appareil, après quoi ils ont analysé la transmission et la transformation ultérieure de ces signaux en fonction de la tension appliquée.

Ce qu’ils ont découvert, c’est que le graphène devient presque parfaitement transparent à une certaine tension, auquel point sa réponse non linéaire disparaît presque, ont déclaré les chercheurs. Ainsi, en augmentant ou en diminuant légèrement la tension à partir de cette valeur critique, ils peuvent transformer le graphène en un matériau fortement non linéaire. Cela modifie considérablement la force et les composantes de fréquence des signaux électroniques THz transmis et transmis.

« En appliquant la tension de commande au graphène, nous avons pu modifier le nombre d’électrons dans le matériau qui peuvent se déplacer librement lorsque le signal électrique lui est appliqué », a déclaré Hassan Hafez, membre du laboratoire du professeur Turchinovich et autre responsable de l’étude. , a expliqué dans un communiqué de presse.

Prouver le concept

D’une part, plus les électrons peuvent se déplacer en réponse au champ électrique appliqué, plus les courants sont forts dans le matériau, ce qui devrait renforcer la non-linéarité, a-t-il expliqué. Cependant, d’un autre côté, plus il y a d’électrons libres disponibles, plus l’interaction entre eux est forte, ce qui supprime la non-linéarité, a déclaré Hafez.

« Ici, nous avons démontré – à la fois expérimentalement et théoriquement – qu’en appliquant une tension externe relativement faible de seulement quelques volts, les conditions optimales pour la non-linéarité THz la plus forte dans le graphène peuvent être créées », a-t-il déclaré.

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Avancées scientifiques.

Ce contrôle du matériau est une « étape importante » pour l’utilisation du matériau comme matériau quantique à utiliser dans des composants pour le transfert de données THz, tels que des convertisseurs, des mélangeurs et des modulateurs, ont déclaré les chercheurs.

À l’avenir, les scientifiques peuvent potentiellement concevoir des dispositifs hybrides dans lesquels le signal électrique initial est généré à une fréquence inférieure à l’aide de la technologie des semi-conducteurs existante, mais peut ensuite être converti très efficacement à des fréquences THz beaucoup plus élevées dans le graphène d’une manière contrôlée et prévisible. ; ils ont dit.

Outre des chercheurs de l’Université de Bielefeld, d’autres ont participé aux travaux, notamment des scientifiques de l’Institut des systèmes de capteurs optiques du DLR, de l’Université technique de Berlin, du Centre Helmholtz de Dresden-Rossendorf et de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Allemagne, l’Institut catalan des nanosciences et nanotechnologies (ICN2) et l’Institut des sciences photoniques (ICFO) en Espagne.