Российские ученые приблизили эпоху беспроводных терагерцовых технологий
Физики Московского физико-технического института с коллегами из Московского педагогического государственного университета и университета Манчестера создали высокочувствительный детектор терагерцового излучения на основе туннельного эффекта в графене. Чувствительность устройства уже превосходит коммерчески доступные аналоги на основе полупроводников и сверхпроводников, что открывает перспективы приложений графенового детектора в беспроводных коммуникациях, системах безопасности, радиоастрономии и медицинской диагностике.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Передача информации в беспроводных сетях основана на превращении непрерывной высокочастотной волны в последовательность отрезков — битов информации. Такой прием называется модуляцией излучения. Чтобы передавать информацию быстрее, необходимо увеличивать частоту модуляции. Однако при этом нужно синхронно увеличивать частоту несущего излучения.
Если привычное FM-радио использует сигналы на частотах в сотни мегагерц, то несущая частота Wi-Fi-передатчика составляет уже около пяти гигагерц, а для мобильных систем передачи поколения 5G эта частота доходит до двадцати гигагерц. Это далеко не предел, и дальнейшее повышение несущей частоты сулит пропорциональное увеличение скорости передачи данных. Однако улавливать сигналы с частотами в сотни гигагерц и выше становится все труднее и труднее.
Базовый приемник, используемый в беспроводных системах передачи данных, состоит из усилителя слабого сигнала на основе транзистора и демодулятора, «вытаскивающего» полезную последовательность битов из сверхвысокочастотного сигнала. Эта схема, зародившаяся в эпоху радио и телевидения, становится неэффективной на желаемых для мобильных систем частотах в сотни гигагерц. Дело в том, что большинство существующих транзисторов не успевают перезарядиться со столь высокой частотой.
«Эволюционный» путь решения проблемы состоит в увеличении быстродействия транзистора. В этом направлении работает большинство специалистов в сфере наноэлектроники. «Революционный» путь решения проблемы был теоретически предложен в начале 1990-х годов физиками Михаилом Дьяконовым и Михаилом Шуром, и реализован — в том числе группой авторов в 2018 году.
Этот путь состоит в отказе от усиления сигнала транзистором и отказе от демодулятора. Транзистор остается в схеме, но его роль теперь состоит в другом. Он сам по себе превращает модулированный сигнал в последовательность битов или голосовую информацию благодаря нелинейной зависимости между током и напряжением.
В нынешней работе авторы доказали, что детектирование терагерцового сигнала очень эффективно в особом типе транзистора, который называется туннельным. Чтобы понять его работу, достаточно вспомнить принцип электромеханического реле, где подача тока на управляющие контакты приводит к механическому соединению двух проводников и возникновению тока. В туннельном транзисторе подача напряжения на управляющий контакт – затвор – приводит к соединению энергетических уровней истока и канала, что, в свою очередь, приводит также и к протеканию тока.
Отличительной чертой туннельного транзистора является его очень сильная чувствительность к управляющему напряжению. Ведь уже небольшой «расстройки» энергетических уровней достаточно, чтобы прервать квантово-механический процесс туннелирования. И уже небольшое напряжение на управляющем затворе способно «соединить» уровни и инициировать туннельный ток.
«Идея сильной реакции туннельного транзистора на малые напряжения известна около пятнадцати лет, — рассказывает один из авторов исследования, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Дмитрий Свинцов. — Однако известна она была лишь в среде ученых, занимающихся электроникой низкого энергопотребления (low-power electronics).
До нас никто не осознавал, что это же свойство туннельного транзистора может быть применено в технологии терагерцовых детекторов. Нам с соавтором исследования Георгием Алымовым повезло поработать в обеих сферах. Тогда мы поняли: если транзистор хорошо открывается и закрывается при малой мощности управляющего сигнала, то он должен и хорошо улавливать слабый сигнал “из воздуха”».
Созданный прибор основан на двухслойном графене — уникальном материале, в котором положением энергетических уровней (более строго — зонной структурой) можно управлять с помощью электрического напряжения. Это позволило авторам переключаться между режимами классического и квантового туннельного транспорта внутри одного прибора всего лишь с изменением полярностей напряжения на управляющих контактах. Эта возможность чрезвычайно важна для аккуратного сравнения детектирующих свойств классического и квантового туннельного транзистора.
Эксперимент показал, что чувствительность устройства в туннельном режиме на несколько порядков превосходит аналогичную величину в режиме классического транспорта. Минимальный сигнал, различаемый детектором на фоне шума, уже конкурирует с аналогичным показателем у коммерчески доступных сверхпроводниковых и полупроводниковых болометров. Однако и это не предел: чувствительность детектора может быть увеличена и далее в «чистых» приборах с малой концентрацией остаточных примесей. Развитая теория детектирования, проверенная нынешним экспериментом, показывает, что чувствительность «оптимального» детектора может быть в сотню раз выше.
«Нынешние характеристики вселяют большие надежды на создание быстрых и чувствительных детекторов для беспроводных коммуникаций, — рассказывает автор работы Денис Бандурин, на момент выполнения работы — научный сотрудник Манчестерского университета и Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, — но более важно другое: открывается новая область для приложений транзисторов с высокой крутизной переключения для детектирования терагерцового излучения.
И эта область не ограничена графеном и не ограничена туннельными транзисторами. Мы ожидаем, что с тем же успехом замечательный детектор можно создать, например, на основе электрически управляемого фазового перехода. Графен здесь оказался лишь хорошей стартовой площадкой, лишь дверью, за которой находится целый мир новых захватывающих исследований».
Результаты, представленные в данной работе, пример успешной коллаборации между несколькими научными группами. Авторы отмечают, что именно такой формат работы позволяет им уже в который раз получать научные результаты мирового уровня. Например, ранее этот же коллектив ученых продемонстрировал, как волны в электронном море графена могут способствовать развитию терагерцовых технологий.
«В эпоху стремительно развивающихся технологий становится все труднее достигать конкурентоспособных результатов, — рассказывает автор исследования Георгий Фёдоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ. — Только объединив усилия и опыт нескольких научных групп, можно успешно выполнять самые сложные задачи и достигать самых амбициозных целей, чем мы и продолжим заниматься». Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 16-19-10557) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-29-20116 мк).
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Физики экспериментально подтвердили эффективность ионно-плазменного метода удаления радиоактивных загрязнений с поверхностей металлоконструкций ядерных реакторов. Новая технология позволяет очищать внутриконтурное оборудование от отложений сложного химического состава без образования опасных жидких радиоактивных отходов. Благодаря этому она даст возможность повторно использовать реакторные сплавы и снизит затраты на их переработку.
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно