Cientistas do Moscow Institute of Physics and Technology – MIPT, da Moscow Pedagogical State University e da University of Manchester criaram um detector de terahertz altamente sensível baseado no efeito do tunelamento mecânico quântico no grafeno. A sensibilidade do dispositivo já é superior aos análogos disponíveis comercialmente baseados em semicondutores e supercondutores, o que abre perspectivas para aplicações do detector de grafeno em comunicações sem fio, sistemas de segurança, radioastronomia e diagnósticos médicos. Os resultados da pesquisa estão publicados na Nature Communications.
A transferência de informações em redes sem fio é baseada na transformação de uma onda eletromagnética contínua de alta frequência em uma sequência discreta de bits. Esta técnica é conhecida como modulação de sinal. Para transferir os bits mais rapidamente, é necessário aumentar a frequência de modulação. No entanto, isso requer um aumento síncrono na frequência da portadora. Um rádio FM comum transmite em frequências de 100 megahertz, um receptor Wi-Fi usa sinais de frequência de aproximadamente 5 gigahertz, enquanto as redes móveis 5G podem transmitir sinais de até 20 gigahertz. Isso está longe do limite, e um aumento adicional na frequência da portadora admite um aumento proporcional nas taxas de transferência de dados. Infelizmente, captar sinais com frequências de cem gigahertz ou mais é um problema cada vez mais desafiador.
Um receptor típico usado em comunicações sem fio consiste em um amplificador de sinais fracos baseado em transistor e um demodulador que retifica a sequência de bits do sinal modulado. Esse esquema se originou na era do rádio e da televisão e se tornou ineficiente em frequências de centenas de gigahertz desejáveis para sistemas móveis. O fato é que a maioria dos transistores existentes não são rápidos o suficiente para recarregar em uma frequência tão alta.
Uma forma evolutiva de resolver esse problema é simplesmente aumentar a frequência máxima de operação de um transistor. A maioria dos especialistas na área de nanoeletrônica trabalha muito nessa direção. Uma forma revolucionária de resolver o problema foi proposta teoricamente no início da década de 1990 pelos físicos Michael Dyakonov e Michael Shur, e realizada, entre outros, pelo grupo de autores em 2018. Implica abandonar a amplificação ativa por transistor e abandonar um demodulador separado. O que resta no circuito é um único transistor, mas sua função agora é diferente. Ele transforma um sinal modulado em seqüência de bits ou sinal de voz por si só, devido à relação não linear entre sua corrente e queda de tensão.
No presente trabalho, os autores provaram que a detecção de um sinal terahertz é muito eficiente no chamado transistor de efeito de campo de tunelamento. Para entender seu funcionamento, basta lembrar o princípio de um relé eletromecânico, onde a passagem de corrente pelos contatos de controle leva a uma conexão mecânica entre dois condutores e, portanto, ao surgimento de corrente. Em um transistor de tunelamento, a aplicação de voltagem ao contato de controle (denominado ”porta”) leva ao alinhamento dos níveis de energia da fonte e do canal. Isso também leva ao fluxo de corrente. Uma característica distintiva de um transistor de tunelamento é sua sensibilidade muito forte para controlar a tensão. Mesmo uma pequena “dessintonização” dos níveis de energia é suficiente para interromper o processo sutil de tunelamento da mecânica quântica. Da mesma forma, uma pequena tensão na porta de controle é capaz de “conectar” os níveis e iniciar a corrente de tunelamento.
Acompanhe o Engenharia é: também no YouTube, clique aqui para se inscrever em nosso canal
“A ideia de forte reação de um transistor de tunelamento a baixas tensões é conhecida há cerca de quinze anos”, diz o Dr. Dmitry Svintsov, um dos autores do estudo, chefe do laboratório de optoeletrônica de materiais bidimensionais do centro MIPT para fotônica e materiais 2D. “Mas ele é conhecido apenas na comunidade da eletrônica de baixa potência. Ninguém percebeu antes de nós que a mesma propriedade de um transistor de tunelamento pode ser aplicada na tecnologia de detectores terahertz. Georgy Alymov (co-autor do estudo) e eu tivemos sorte em trabalhar em ambas as áreas. Percebemos então: se o transistor é aberto e fechado em uma baixa potência do sinal de controle, então ele também deve ser bom em captar sinais fracos do ambiente circundante.”
O dispositivo criado é baseado em grafeno de duas camadas, um material único no qual a posição dos níveis de energia (mais estritamente, a estrutura de banda) pode ser controlada por uma tensão elétrica. Isso permitiu aos autores alternar entre o transporte clássico e o transporte por tunelamento quântico dentro de um único dispositivo, com apenas uma mudança nas polaridades da tensão nos contatos de controle. Esta possibilidade é de extrema importância para uma comparação precisa da capacidade de detecção de um transistor de tunelamento clássico e quântico.
O experimento mostrou que a sensibilidade do dispositivo no modo de tunelamento é algumas ordens de magnitude maior do que no modo de transporte clássico. O sinal mínimo distinguível pelo detector contra o fundo ruidoso já compete com o dos bolômetros supercondutores e semicondutores disponíveis comercialmente. No entanto, este não é o limite – a sensibilidade do detector pode ser aumentada ainda mais em dispositivos ‘mais limpos’ com uma baixa concentração de impurezas residuais. A teoria de detecção desenvolvida, testada pelo experimento, mostra que a sensibilidade do detector ideal pode ser cem vezes maior.
“As características atuais suscitam grandes esperanças para a criação de detectores rápidos e sensíveis para comunicações sem fio”, diz o autor do trabalho, Dr. Denis Bandurin. E essa área não se limita ao grafeno e não se limita aos transistores de túnel. Esperamos que, com o mesmo sucesso, um detector notável possa ser criado, por exemplo, com base em uma transição de fase eletricamente controlada. O grafeno acabou sendo apenas uma boa plataforma de lançamento aqui, apenas uma porta, atrás da qual está todo um mundo de novas pesquisas interessantes.”
Os resultados apresentados neste artigo são um exemplo de colaboração bem-sucedida entre vários grupos de pesquisa. Os autores observam que é esse formato de trabalho que lhes permite obter resultados científicos de nível mundial. Por exemplo, anteriormente, a mesma equipe de cientistas demonstrou como as ondas no mar de elétrons do grafeno podem contribuir para o desenvolvimento da tecnologia terahertz. “Em uma era de tecnologia em rápida evolução, está se tornando cada vez mais difícil alcançar resultados competitivos”, comenta o Dr. Georgy Fedorov, vice-chefe do laboratório de materiais de nanocarbono, MIPT, “Somente combinando os esforços e a experiência de vários grupos poderemos ter sucesso realizar as tarefas mais difíceis e alcançar os objetivos mais ambiciosos, que continuaremos a fazer.”
fonte: engenhariae
