Il grafene incrementa i segnali GHz in territorio terahertz

Il grafene, uno strato di atomi di carbonio disposti esagonalmente, è il materiale più sottile e più forte conosciuto dall’uomo e un eccellente conduttore di calore ed elettricità. Dal 2004, quando i ricercatori hanno scoperto come estrarlo dalla grafite, il grafene ha aperto nuove finestre di opportunità nel mondo della scienza e della tecnologia. Nell’ultimo decennio, gli scienziati hanno previsto che la sua struttura unica lo renderebbe particolarmente efficace nella conversione di segnali ottici o elettronici in segnali di frequenze molto più elevate. Tuttavia, tutti i tentativi per dimostrarlo non hanno avuto successo.

Ora, per la prima volta, un team di ricercatori, due dei quali sono sostenuti dal progetto EUCALL, finanziato dall’UE, ha dimostrato che il grafene è effettivamente in grado di convertire segnali elettronici in segnali nella gamma dei terahertz, con migliaia di miliardi di cicli al secondo. I risultati del team sono presentati in uno studio pubblicato sulla rivista «Nature».

Interazione non lineare

I componenti elettronici basati su silicio utilizzati oggi generano velocità di clock nell’intervallo GHz, dove 1 GHz è pari a 1 000 milioni di cicli al secondo. Gli scienziati hanno dimostrato che il grafene può convertire segnali con queste frequenze in segnali con frequenze che sono migliaia di volte superiori a quelle create dal silicio.

Ciò che rende possibile questa prodezza è l’interazione non lineare altamente efficiente tra luce e materia che si verifica nel grafene. I ricercatori hanno utilizzato grafene contenente un gran numero di elettroni liberi originati dall’interazione tra il grafene e il substrato su cui è stato depositato. Quando questi elettroni sono stati eccitati da un campo elettrico oscillante in condizioni di temperatura ambiente, hanno condiviso rapidamente la loro energia con elettroni legati nel materiale. Gli elettroni reagivano quindi come un fluido riscaldato, passando da liquido a vapore all’interno del grafene in trilionesimi di secondo. Questa transizione ha portato a cambiamenti potenti e rapidi nella conduttività del materiale, moltiplicando la frequenza degli impulsi GHz originali.

«Ora siamo stati in grado di fornire la prima prova diretta della moltiplicazione di frequenza da gigahertz a terahertz in un monostrato di grafene e di generare segnali elettronici nella gamma terahertz con notevole efficienza», dichiara il coautore e scienziato senior dell’Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), il dott. Michael Gensch in un comunicato stampa pubblicato sul sito web del partner del progetto.

Elevata efficienza di conversione

Le frequenze degli impulsi elettromagnetici originari che sono stati generati nella struttura del terahertz TELBE dell’HZDR variavano tra 300 e 680 GHz. Gli scienziati li hanno convertiti in segnali aventi tre, cinque e sette volte la frequenza iniziale. «Queste efficienze di conversione sono notevolmente elevate, dato che l’interazione elettromagnetica si verifica in un singolo strato atomico», affermano gli autori nel loro studio.

La rivoluzionaria scoperta sostenuta da EUCALL (European Cluster of Advanced Laser Light Sources) rende il grafene un candidato promettente per la nanoelettronica del futuro.

Per ulteriori informazioni, consultare:
sito web del progetto EUCALL