Graphen verstärkt GHz-Signale bis in den Terahertz-Bereich

Graphen – eine ein Atom dicke Schicht aus sechseckig angeordneten Kohlenstoffatomen – ist das dünnste und stärkste Material, das dem Menschen bekannt ist, und ein hervorragender Leiter für Wärme und Elektrizität. Seit 2004, als Forscher herausfanden, wie man es aus Graphit gewinnen kann, hat Graphen neue Möglichkeiten in der Welt der Wissenschaft und Technologie eröffnet. Bereits seit über zehn Jahren haben Wissenschaftler prophezeit, dass seine einzigartige Struktur Graphen besonders effizient für die Umwandlung optischer oder elektronischer Signale in Signale mit viel höheren Frequenzen macht. Alle Bemühungen, dies zu beweisen, waren jedoch erfolglos.

Nun gelang es erstmals einem Team von Forschern, von dem zwei Forscher durch das EU-finanzierte Projekt EUCALL (European Cluster of Advanced Laser Light Sources) unterstützt werden, zu beweisen, dass Graphen tatsächlich elektronische Signale in Terahertz-Signale mit Billionen Zyklen pro Sekunde umwandeln kann. Die Ergebnisse des Teams werden in einer Studie vorgestellt, die in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht wurde.

Nichtlineare Wechselwirkung

Heutige elektronische Komponenten auf Silizium-Basis arbeiten mit Taktraten im Gigahertz-Bereich (GHz), schalten also einige Milliarden Mal pro Sekunde. Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass Graphen Signale mit diesen Frequenzen in Signale umwandeln kann, die tausendmal höher sind als die, die durch Silizium erzeugt werden.

Möglich wird dies durch die hocheffiziente nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, die in Graphen auftritt. Die Forscher verwendeten Graphen, das eine große Anzahl freier Elektronen enthielt, die aus der Wechselwirkung zwischen Graphen und dem Substrat resultierten, auf dem es aufgebracht wurde. Als diese Elektronen bei Raumtemperatur durch ein oszillierendes elektrisches Feld angeregt wurden, teilten sie ihre Energie schnell mit gebundenen Elektronen im Material. Die Elektronen reagierten quasi wie eine erhitzte Flüssigkeit und wechselten im Graphen innerhalb von Billiardstel Sekunden zwischen der „flüssigen“ und „Dampf-“Phase. Dieser Übergang führte zu starken, schnellen Änderungen der Leitfähigkeit des Materials, wobei die Frequenz der ursprünglichen GHz-Pulse multipliziert wurde.

„Wir konnten nun erstmals den direkten Nachweis für die Frequenzvervielfachung vom Giga- in den Terahertz-Bereich in einer Graphen-Monolage erbringen und elektronische Signale im Terahertz-Bereich erzeugen, und zwar mit bemerkenswerter Effizienz“, so Dr. Michael Gensch, Mitverfasser und leitender Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), in einer Pressemitteilung, die auf der Website des Projektpartners veröffentlicht wurde.

Hohe Umwandlungseffizienz

Die Frequenzen der ursprünglichen elektromagnetischen Pulse, die in der Terahertz-Anlage TELBE des HZDR erzeugt wurden, lagen zwischen 300 und 680 GHz. Die Wissenschaftler wandelten sie daraufhin in Signale mit der drei-, fünf- und siebenfachen Frequenz um. „Diese Umwandlungseffizienzen sind außergewöhnlich hoch, wenn man bedenkt, dass die elektromagnetische Wechselwirkung in einer einzelnen Atomschicht stattfindet“, stellen die Autoren in ihrer Studie fest.

Die bahnbrechende Entdeckung, die von EUCALL unterstützt wird, macht Graphen zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Nanoelektronik der Zukunft.

Weitere Informationen:
EUCALL-Projektwebsite