O Graphene atinge a nota certa em altas freqüências?


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O Graphene tem o potencial de fornecer uma nova geração de dispositivos eletrônicos ultra-rápidos. A tecnologia atual de silício pode atingir taxas de relógio - uma medida de quão rápido os dispositivos podem mudar - de várias centenas de gigahertz (GHz). O Graphene pode atingir taxas de relógio até mil vezes mais rápidas, impulsionando a eletrônica para a faixa terahertz (THz).

Eletrônicos na Linha Terahertz

Mas, até agora, a capacidade do grafeno de converter sinais eletromagnéticos oscilantes em modos de freqüência mais alta tem sido apenas uma previsão teórica.

Agora pesquisadores do Helmholtz Zentrum DresdenRossendorf (HZDR) e da Universidade de Duisburg-Essen (UDE), em colaboração com o diretor do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros (MPI-P) Mischa Bonn e outros pesquisadores, mostraram que o grafeno pode cobrir sinais gigahertz de alta freqüência na faixa terahertz.

"Fomos capazes de fornecer a primeira prova direta da multiplicação de freqüência de gigahertz para terahertz em uma monocamada de grafeno e gerar sinais eletrônicos na faixa terahertz com notável eficiência", explica Michael Gensch, da HZDR, e Dmitry Turchinovich, da UDE.

Usando o novo acelerador supercondutor TELBE fonte de radiação terahertz no Centro ELBE de Fontes de Radiação de Alta Potência do HZDR, os pesquisadores bombardearam a deposição de vapor químico (CVD) - grafeno produzido com pulsos eletromagnéticos na faixa de freqüência 300-680 GHz. Como cálculos teóricos anteriores previram, os resultados mostram que o grafeno é capaz de converter esses pulsos em sinais com três, cinco ou sete vezes a freqüência inicial, atingindo a faixa terahertz.

"Não só fomos capazes de demonstrar pela primeira vez experimentalmente um efeito há muito previsto no grafeno, mas também de entendê-lo quantitativamente ao mesmo tempo", aponta Turchinovich.

Ao dopar o grafeno, os pesquisadores criaram uma alta proporção de elétrons livres ou um chamado líquido Fermi. Quando um campo oscilante externo excita esses elétrons livres, como um líquido normal, eles aquecem e compartilham sua energia com os elétrons ao redor. Os elétrons quentes formam um estado semelhante ao de vapor, assim como um líquido evaporante. Quando a fase de vapor quente Fermi esfria, ela retorna à sua forma líquida extremamente rapidamente. A transição entre estas fases de vapor e líquido no grafeno induz uma mudança correspondente em sua condutividade. Esta oscilação muito rápida na condutividade impulsiona o efeito de multiplicação de freqüência.

"Em teoria, [isto] deveria permitir taxas de relógio até mil vezes mais rápidas do que a atual eletrônica baseada em silício", dizem Gensch e Turchinovich.

Eficiência de conversão do grafeno

A eficiência de conversão do grafeno é pelo menos 7-18 ordens de grandeza mais eficiente do que outros materiais eletrônicos, apontam os pesquisadores. Como o efeito foi demonstrado com o grafeno CVD produzido em massa, eles acreditam que não existem obstáculos reais a serem superados a não ser o desafio de engenharia de integração do grafeno em circuitos.

"Nossa descoberta é revolucionária", diz Bonn. "Demonstramos que a eletrônica baseada em carbono pode operar de forma extremamente eficiente a taxas ultra-rápidas". Os componentes híbridos ultra-rápidos feitos de grafeno e semicondutores tradicionais também são agora concebíveis".

Nathalie Vermeulen, professora do grupo Brussels Photonics (B-PHOT) na Vrije Universiteit Brussel (VUB) na Bélgica, concorda que o trabalho é um grande avanço.

"A física não-linear-óptica do grafeno é um campo insuficientemente compreendido, com resultados experimentais muitas vezes diferentes das previsões teóricas", diz ela. "Estas novas percepções, no entanto, lançam nova luz sobre o comportamento não-linear-óptico do grafeno no regime terahertz".

Os resultados experimentais dos pesquisadores são claramente apoiados pela teoria correspondente, acrescenta Vermeulen, que é muito convincente.

"Não é frequente que grandes avanços no entendimento científico fundamental e aplicações práticas andem de mãos dadas, mas acredito que seja o caso aqui", diz ela. "A demonstração de uma geração de terahertz tão eficiente e altamente harmônica à temperatura ambiente é muito poderosa e abre o caminho para possibilidades concretas de aplicação".

O avanço poderia ampliar a funcionalidade dos transistores de grafeno em aplicações optoeletrônicas de alta freqüência e abre a possibilidade de comportamento semelhante em outros materiais bidimensionais Dirac. Marc Dignam da Queen's University no Canadá também é positivo sobre as inovações tecnológicas que a demonstração da resposta não-linear do grafeno monocamada aos campos terahertz poderia abrir.

"As experiências são realizadas à temperatura ambiente no ar e, dado o tempo de dispersão relativamente curto, é evidente que a geração harmônica ocorrerá para amplitudes de campo relativamente moderadas, mesmo em amostras que não são particularmente primitivas", ele aponta. "Isto indica que tal geração harmônica poderá encontrar seu caminho para futuros dispositivos, uma vez que estruturas de orientação de maior eficiência, como guias de ondas, sejam empregadas".

Ele acredita que a chave para o sucesso do trabalho é a fonte de terahertz (TELBE) de ciclo múltiplo e de baixo ruído utilizada pelos pesquisadores. Entretanto, Dignam está menos convencido com a explicação teórica da resposta não-linear do grafeno pela equipe. Sem dúvida, estes resultados empolgantes estimularão mais investigações teóricas microscópicas examinando mais detalhadamente a dinâmica da portadora no grafeno.