石墨烯 - 一种由单层互连碳原子组成的超薄材料 - 被认为是未来纳米电子学的有希望的候选者。从理论上讲，它应该允许时钟速率比现在的硅基电子产品快一千倍。来自Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）和杜伊斯堡 - 埃森大学（UDE）的科学家与马克斯普朗克聚合物研究所（MPI-P）合作，现在首次证明了石墨烯可以实际转化频率在千兆赫兹范围内的电子信号 - 与今天的时钟频率相对应 - 非常有效地进入频率高几倍的信号。研究人员展示他们的成果在科学期刊自然。
石墨烯使时钟速率达到太赫兹范围
今天的硅基电子元件以几百千兆赫兹（GHz）的时钟速率运行，也就是说，它们每秒切换数十亿次。电子行业目前正试图进入太赫兹（THz）范围，即时钟速率提高了一千倍。硅的有希望的材料和潜在的继承者可以是石墨烯，其具有高导电性并且与所有现有的电子技术兼容。特别地，理论长期以来预测石墨烯可以是非常有效的“非线性”电子材料，即，能够非常有效地将施加的振荡电磁场转换成具有更高频率的场的材料。然而，过去十年中在石墨烯中证明这种效应的所有实验努力都没有成功。
“我们现在已经能够在石墨烯单层中提供从千兆赫到太赫兹的频率倍增的第一个直接证据，并在太赫兹范围内以极高的效率产生电子信号，”Michael Gensch博士解释说，他的团队开展超快物理研究并在HZDR上操作新型TELBE太赫兹辐射源。不仅如此 - 由杜伊斯堡 - 埃森大学（UDE）实验物理学家Dmitry Turchinovich教授领导的合作伙伴已经成功地使用基于热力学基本物理原理的简单模型来定量描述测量结果。
凭借这一突破，研究人员正在为超快石墨烯纳米电子学铺平道路：“我们不仅能够首次实验性地展示石墨烯的长期预测效果，而且能够在数量上同时理解它， “Dmitry Turchinovich教授强调说。“在我的实验室里，我们已经研究了几年来石墨烯电子非线性的基本物理机制。但是，我们的光源不足以实际检测和量化倍频清洁和清晰。为此，我们需要实验能力目前只在TELBE工厂提供。“
人们期待已久的石墨烯中高效太赫兹高次谐波产生的实验证明在一个技巧的帮助下取得了成功：研究人员使用了含有许多自由电子的石墨烯，这些自由电子来自石墨烯与沉积在其上的基板的相互作用，以及周围的空气。如果这些移动电子被振荡电场激发，它们与石墨烯中的其他电子非常快速地分享它们的能量，石墨烯的反应很像加热的流体：从电子“液体”，比喻说，电子“蒸气”形式在石墨烯中。从“液体”到“蒸气”相的变化发生在万亿分之一秒内，并且导致石墨烯的电导率的特别快速和强烈的变化。
科学家使用来自TELBE设施的电磁脉冲，频率在300到680千兆赫之间，并将它们在石墨烯中转换为电磁脉冲，其初始频率为三倍，五倍和七倍，即将它们上转换为太赫兹频率范围。“描述这种三次，五次和七次谐波频率产生效率的非线性系数非常高，”Turchinovich解释道。“因此，石墨烯可能是迄今为止已知的具有最强非线性的电子材料。测量值与我们的热力学模型的良好一致性表明我们也将能够用它来预测由石墨烯制成的超高速纳米电子器件的特性。 “。MPI-P主任Mischa Bonn教授，
使用位于HZDR的ELBE高功率辐射源中心的新型超导加速器TELBE太赫兹辐射源进行实验。与典型的基于激光的太赫兹光源相比，它的脉率高出一百倍，这使得研究石墨烯所需的测量精度成为可能。作为欧盟项目EUCALL的一部分开发的数据处理方法允许研究人员实际使用每秒100,000个光脉冲中的每一个所采集的测量数据。“对我们来说，没有糟糕的数据，”Gensch说。“由于我们可以测量每一个脉冲，我们在测量精度方面获得了数量级。在测量技术方面，我们处于目前可行的极限。”