Físicos do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, com colegas da Universidade Pedagógica do Estado de Moscou e da Universidade de Manchester, criaram um detector de radiação terahertz altamente sensível com base no efeito de tunelamento no grafeno. Na verdade, um transistor de tunelamento de efeito de campo foi transformado em um detector, que era capaz de abrir com sinais “vindos do ar”, e não transmitido por circuitos comuns.
Tunelamento quântico. Fonte da imagem: Daria Sokol, MIPT Press Service
A descoberta feita, baseada nas ideias dos físicos Mikhail Dyakonov e Mikhail Shur, proposta no início dos anos 1990, aproxima a era das tecnologias de terahertz sem fio. Isso significa que a velocidade da comunicação sem fio aumentará muitas vezes e as tecnologias de radar e de sistemas de segurança, radioastronomia e diagnósticos médicos atingirão um nível qualitativamente novo.
A ideia dos físicos russos era que o transistor de tunelamento foi proposto para ser usado não para amplificação e demodulação de sinal, mas como um dispositivo que “por si só converte um sinal modulado em uma sequência de bits ou informação de voz devido à relação não linear entre corrente e tensão. ” Em outras palavras, o efeito de tunelamento pode ocorrer quando o nível do sinal na porta do transistor é extremamente baixo, o que permitirá que o transistor inicie a corrente de tunelamento (ligue) mesmo com um sinal muito fraco.
Por que o esquema clássico de uso de transistores não é adequado? Durante a transição para a faixa de terahertz, a maioria dos transistores existentes não tem tempo para receber a carga necessária, portanto, o circuito de engenharia de rádio clássico com um amplificador de sinais fracos em um transistor com demodulação subsequente torna-se ineficaz. É necessário melhorar os transistores, que também funcionam até certo limite, ou oferecer algo completamente diferente. Os físicos russos acabam de sugerir isso “diferente”.
Transistor de tunelamento de grafeno como detector de terahertz. Fonte da imagem: Nature Communications
«A ideia de uma forte reação de um transistor de tunelamento a baixas tensões é conhecida há cerca de quinze anos, – diz Dmitry Svintsov, um dos autores do estudo, chefe do laboratório de optoeletrônica de materiais 2D no Centro de Fotônica e 2D Materiais do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou. “Antes de nós, ninguém percebeu que a mesma propriedade de um transistor de tunelamento poderia ser usada na tecnologia de detector de terahertz.” Como os cientistas estabeleceram, “se o transistor abre e fecha bem com uma potência baixa do sinal de controle, então ele deve captar um sinal fraco do ar”.
Para o experimento, que é descrito na revista Nature Communications, eles criaram um transistor de tunelamento baseado em grafeno de duas camadas. O experimento mostrou que a sensibilidade do dispositivo no modo túnel é várias ordens de magnitude maior do que no modo de transporte clássico. Assim, o detector-transistor experimental acabou não sendo pior em sensibilidade do que bolômetros supercondutores e semicondutores semelhantes disponíveis no mercado. A teoria sugere que quanto mais puro o grafeno, maior será a sensibilidade, que ultrapassa em muito as capacidades dos modernos detectores de terahertz, e isso não é mais uma evolução, mas uma revolução na indústria.