Kloksnelheid naar terahertz-range dankzij grafeen

In de zoektocht naar steeds hogere snelheden bij de verwerking van data proberen onderzoekers al jaren materialen te vinden die een oscillerend magnetisch veld kunnen omzetten in een magnetisch veld met een hogere frequentie. Dit wordt wel een non-lineair elektronisch materiaal genoemd. Grafeen - een koolstofstuctuur van slechts een atoom dik - lijkt al jaren een goede kandidaat om dit effect te bereiken. Grafeen heeft een hoge elektrische geleiding en is bovendien compatibel met de huidige op silicium gebaseerde elektronica.

Helaas lukte het tot nog toe niet om het gewenste effect te krijgen. Maar nu hebben onderzoekers van het Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), de University of Duisburg-Essen (UDE) en het Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in een gezamenlijk project aangetoond dat de verwachte frequentievermenigvuldiging daadwerkelijk kan optreden. Zij hebben hun resultaten gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijk tijdschrift Nature. 

Dmitry Turchinovich, hoogleraar experimentele fysica aan de UDE, zegt dat niet alleen het effect is aangetoond, maar er ook gelijk is gevonden waarom de eerste pogingen faalden. "Onze lichtbronnen waren niet toereikend om de frequentievermenigvuldiging te detecteren en kwantificeren. Daarvoor hadden we een nieuwe experimentele opzet nodig die sinds kort in de HZDR beschikbaar is."

Naar elektronische damp

Om het effect te bereiken maakten de onderzoekers gebruik van grafeen met veel vrije elektronen. Die zijn afkomstig van de interactie met het onderliggende substraat en de vrije lucht die er boven aanwezig is. Door die vrije elektronen te activeren met een oscillerend elektrisch veld kunnen ze heel snel hun energie delen met andere elektronen in de grafeenlaag. Op die manier reageren ze als een verhitte 'vloeistof' die vervolgens een elektronische 'damp' vormt. Die transitie verloopt in een biljoenste seconde en veroorzaakt een heel snelle en sterke verandering in de geleidbaarheid van het grafeen. Dit effect is de basis voor de frequentievermenigvuldiging.

De onderzoekers tonen in hun Nature artikel aan dat frequenties tussen 300 en 680 GHz met de grafeenopstelling zijn om te vormen tot drie, vijf en zeven keer de oorspronkelijke frequenties en daarmee komen ze dus in de terahertz-range.

De onderzoekers zijn heel enthousiast. "Dit werk is baanbrekend. We hebben aangetoond dat koolstofgebaseerde elektronica extreem efficiënt op ultrahoge snelheden kan werken. Supersnelle hybride componenten van grafeen in combinatie met traditionele halfgeleiders zijn ook mogelijk", stelt Mischa Bonn, director van het MPI-P.