Le graphène atteint-il la bonne note à haute fréquence ?


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Le graphène pourrait permettre de créer une nouvelle génération de dispositifs électroniques ultrarapides. La technologie actuelle du silicium permet d'atteindre des fréquences d'horloge - une mesure de la vitesse de commutation des dispositifs - de plusieurs centaines de gigahertz (GHz). Le graphène pourrait atteindre des fréquences d'horloge jusqu'à mille fois plus rapides, propulsant l'électronique dans la gamme des térahertz (THz).

L'électronique dans la gamme des térahertz

Mais, jusqu'à présent, la capacité du graphène à convertir des signaux électromagnétiques oscillants en modes de plus haute fréquence n'était qu'une prédiction théorique.

Des chercheurs du Helmholtz Zentrum DresdenRossendorf (HZDR) et de l'Université de Duisburg-Essen (UDE), en collaboration avec le directeur du Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) Mischa Bonn et d'autres chercheurs, ont montré que le graphène peut couvrir des signaux gigahertz à haute fréquence dans la gamme des térahertz.

"Nous avons pu apporter la première preuve directe de la multiplication des fréquences du gigahertz au térahertz dans une monocouche de graphène et générer des signaux électroniques dans la gamme du térahertz avec une efficacité remarquable", expliquent Michael Gensch du HZDR et Dmitry Turchinovich de l'UDE.

À l'aide de la nouvelle source de rayonnement térahertz TELBE de l'accélérateur supraconducteur du Centre ELBE pour les sources de rayonnement de haute puissance de la HZDR, les chercheurs ont bombardé du graphène produit par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) avec des impulsions électromagnétiques dans la gamme de fréquences de 300 à 680 GHz. Comme le prévoyaient des calculs théoriques antérieurs, les résultats montrent que le graphène est capable de convertir ces impulsions en signaux d'une fréquence trois, cinq ou sept fois supérieure à la fréquence initiale, atteignant la gamme des térahertz.

"Nous avons non seulement été en mesure de démontrer expérimentalement pour la première fois un effet prédit depuis longtemps dans le graphène, mais aussi de le comprendre quantitativement", souligne M. Turchinovich.

En dopant le graphène, les chercheurs ont créé une forte proportion d'électrons libres ou un "liquide de Fermi". Lorsqu'un champ oscillant externe excite ces électrons libres, un peu comme un liquide normal, ils se réchauffent et partagent leur énergie avec les électrons environnants. Les électrons chauds forment un état de vapeur, tout comme un liquide qui s'évapore. Lorsque la phase vapeur de Fermi chaude se refroidit, elle reprend sa forme liquide extrêmement rapidement. La transition entre ces phases de vapeur et de liquide dans le graphène induit un changement correspondant dans sa conductivité. Cette oscillation très rapide de la conductivité entraîne l'effet de multiplication des fréquences.

"En théorie, cela devrait permettre d'obtenir des fréquences d'horloge jusqu'à mille fois plus rapides que les systèmes électroniques actuels à base de silicium", déclarent Gensch et Turchinovich.

Efficacité de conversion du graphène

L'efficacité de conversion du graphène est au moins de 7 à 18 ordres de grandeur plus efficace que celle des autres matériaux électroniques, soulignent les chercheurs. L'effet ayant été démontré avec du graphène produit en masse par CVD, ils estiment qu'il n'y a pas de véritables obstacles à surmonter, si ce n'est le défi technique que représente l'intégration du graphène dans les circuits.

"Notre découverte est révolutionnaire", déclare Bonn. "Nous avons démontré que l'électronique à base de carbone peut fonctionner de manière extrêmement efficace à des vitesses ultrarapides. Des composants hybrides ultrarapides composés de graphène et de semi-conducteurs traditionnels sont également désormais concevables."

Nathalie Vermeulen, professeur au sein du groupe de photonique de Bruxelles (B-PHOT) à la Vrije Universiteit Brussel (VUB) en Belgique, convient que ces travaux constituent une avancée majeure.

"La physique optique non linéaire du graphène est un domaine insuffisamment compris, les résultats expérimentaux différant souvent des prédictions théoriques", dit-elle. "Ces nouvelles connaissances, cependant, éclairent d'un jour nouveau le comportement optique non linéaire du graphène dans le régime térahertz."

Les résultats expérimentaux des chercheurs sont clairement étayés par la théorie correspondante, ajoute M. Vermeulen, qui est très convaincante.

"Il n'est pas fréquent que des avancées majeures dans la compréhension scientifique fondamentale et les applications pratiques aillent de pair, mais je crois que c'est le cas ici", dit-elle. "La démonstration d'une génération térahertz hautement harmonique aussi efficace à température ambiante est très puissante et ouvre la voie à des possibilités d'applications concrètes."

Cette avancée pourrait étendre la fonctionnalité des transistors en graphène à des applications optoélectroniques à haute fréquence et ouvre la possibilité d'un comportement similaire dans d'autres matériaux de Dirac bidimensionnels. Marc Dignam, de l'université Queen's au Canada, est également positif quant aux innovations technologiques que la démonstration de la réponse non linéaire du graphène monocouche aux champs térahertz pourrait ouvrir.

"Les expériences sont réalisées à température ambiante dans l'air et, compte tenu du temps de diffusion relativement court, il est évident que la génération d'harmoniques se produira pour des amplitudes de champ relativement modérées, même dans des échantillons qui ne sont pas particulièrement purs", souligne-t-il. "Cela indique qu'une telle génération d'harmoniques pourrait trouver sa place dans de futurs dispositifs, une fois que des structures de guidage plus efficaces, telles que des guides d'ondes, seront utilisées."

Il pense que la clé du succès de ces travaux est la source térahertz à faible bruit et à cycles multiples (TELBE) utilisée par les chercheurs. Toutefois, M. Dignam est moins convaincu par l'explication théorique de l'équipe concernant la réponse non linéaire du graphène. Il ne fait aucun doute que ces résultats passionnants inciteront d'autres études théoriques microscopiques à examiner plus en détail la dynamique des porteurs dans le graphène.