发表在最近《科学进展》中的论文中，德国和西班牙的研究人员创建了一种类似晶体管的设备，该设备使用较小的电压来控制通过石墨烯传输的电子信号的强度和频率。这一突破标志着在电子设备（例如太赫兹频率转换器、混频器和调制器）中使用石墨烯的重要一步。
该研究论文题为：“石墨烯中太赫兹非线性的电可调性”，研究团队包括：德国亥姆霍兹德累斯-顿罗森多夫研究中心、马克斯·普朗克聚合物研究所、德国杜伊斯堡-埃森大学、西班牙纳米科学和纳米技术研究所、西班牙光子科学研究所的研究人员。
石墨烯是一种蜂窝状的碳晶格，厚度仅为一个原子，具有多种独特的电子特性。之所以具有如此独特的电子特性，其中一个重要原因来源于它是一种半金属，在其化合价和导带之间没有能隙。在这两个谱带相交的区域中，石墨烯中的电荷载流子（电子和空穴）的能量和动量之间的关系由狄拉克方程描述，而不是像大多数晶体材料那样由标准薛定谔方程描述。
近年来，基于石墨烯等二维材料的多种独特的电子特性，一种称为“Twistoptics”（旋扭光学）的新型领域在快速兴起。两层材料相对于彼此的动态旋扭。由于其微对称性的破坏，在某些角度下，入射的激光可以有效地转换为更高能量的光，从而产生可调的光学二次谐波，创建有效且可控的光学响应。这一优势可应用在一系列基于激光的领域中，还可以提供一种紧凑的方式来产生纠缠的光子，以进行量子信息处理和计算。
电子高电导率与无质量的行为
这些不寻常的、称为狄拉克锥的能带结构的存在，使石墨烯中的载流子表现得像无质量的粒子。这种有效的“无质量性”使石墨烯中的电子具有非常高的迁移率，在室温下高达200 000 cm2 / Vs，而在硅中仅为1400 cm2 / Vs。如此高的迁移率意味着基于石墨烯的晶体管和其它电子设备将可比当今的任何电子设备更高效、更节能。
研究人员最近发现，当电流（或光波）通过石墨烯时，该材料的高电子电导率以及其电子的有效无质量行为会改变电流的频率。这种类型的“非线性”行为是现代电子设备中最基本的功能之一，对于切换和处理电信号至关重要。
在迄今为止所有电子材料中，石墨烯的这种非线性是最强的，甚至在高频下也保持高度非线性，延伸到在技术上相当重要的太赫兹（THz）范围，而大多数常规电子材料都无法达到该范围。
严密控制
挑战是，尽管这样的行为对于将石墨烯集成到电子设备中很重要，但需要首先能够对其能够进行控制。该研究现在展示了这种控制的可行性。在这项新研究成果中，科学家开发了一种类似晶体管的器件，可以通过电触点向其施加栅极控制电压。然后，使用该设备传输太赫兹超高频信号，并分析这些信号的频率如何根据所施加的电压进行转换。如下图所示当将控制电压施加到石墨烯时，可以控制电流的频率转换。
在一定的施加电压下，研究观察到石墨烯通常强大的非线性响应几乎消失。通过将控制电压从该临界值略微增加或降低几伏特，发现可以使材料再次变得非常的非线性。一旦确定了最佳的门控电压，就可以将传输和重新发射的太赫兹电子信号的强度和频率分量改变多达两个数量级。
一个缺失的环节
能够以这种简单的方式控制石墨烯的非线性，是过去在电信号处理和信号调制应用中使用这种材料时的一个“缺失环节”。该研究填补了这一环节，在将石墨烯用作太赫兹频率转换器、混频器、和调制器等设备中，可提供极为有效的非线性功能的量子材料。
石墨烯又与现有的电子超高频半导体技术，例如CMOS或Bi-CMOS等，完全兼容。因此，可以设想一种混合或杂交设备，其中使用现有的半导体技术以较低的频率生成初始电信号，然后使用石墨烯将其非常有效地上转换为更高的太赫兹频率，而所有这些都是完全可控与可预测的。