Grafen umožní taktovat procesory na terahertzových frekvencích  
Průlomový experiment německých „ultrarychlých“ fyziků poprvé přímo prokázal elektronickou nelinearitu grafenu. Výzkum otevírá dveře extrémně rychlé grafenové nanoelektronice.
Grafen konvertuje elektronické signály z gigahertzových frekvencí na terahertzové. Kredit: Juniks/HZDR.
Grafen konvertuje elektronické signály z gigahertzových frekvencí na terahertzové. Kredit: Juniks/HZDR.

Grafen, extrémně tenký materiál z jediné vrstvy atomů uhlíku, přináší úžasné přísliby budoucích technologií. Mimo jiné se s ním počítá pro nanoelektroniku. Teorie praví, že by grafen měl umožnit taktovat procesory až tisíckrát rychleji než to dovoluje soudobá křemíková elektronika. Vědci teď poprvé doložili, že grafen skutečně dokáže velmi efektivně konvertovat elektronické signály o gigahertzových frekvencích, což odpovídá dnešním procesorům, na signály o několikanásobně vyšších frekvencích. Jejich výzkum právě publikoval časopis Nature.

 

Michael Gensch. Kredit: HZDR.
Michael Gensch. Kredit: HZDR.

Komponenty soudobé křemíkové elektroniky běží na taktovacích frekvencích několika set gigahertz. To znamená, že se takové komponenty přepínají několik miliardkrát za sekundu. Elektronický průmysl míří výš a snaží se dosáhnout do oblasti terahertzových frekvencí. Vše nasvědčuje tomu, že by jim v tom mohl pomoci právě grafen, který je skvěle elektricky vodivý a zároveň kompatibilní s existujícími elektronickými technologiemi. Teorie již před časem předpověděly, že grafen by měl být velmi účinným nelineárním elektronickým materiálem, čili že by měl velmi efektivně překlápět elektromagnetické signály na signály o mnohem vyšších frekvencích. Zřejmě je dokonce nejvíce nelineárním známým elektronickým materiálem vůbec. Nicméně, veškeré experimenty, které se během uplynulého desetiletí zmíněný jev snažily u grafenu prokázat, doposud vyšly naprázdno.

 

Zdroje terahertzového záření TELBE. Kredit: HZDR/F. Bierstedt.
Zdroje terahertzového záření TELBE. Kredit: HZDR/F. Bierstedt.

Až teď si tenhle skalp přibili na zeď němečtí vědci z Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Universität Duisburg-Essen (UDE) a Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P). Jeden z vedoucích výzkumu Michael Gensch a jeho kolegové poskytli první přímý důkaz, že grafen skutečně konvertuje gigahertzové signály na terahertzové, a to s velmi slušnou účinností. Kromě tohoto rovněž zmíněné procesy popsali pomocí jednoduchého modelu, založeného na termodynamice.

 

Jde o průlomový experiment, který otevírá dveře výzkumu a vývoji ultrarychlé grafenové nanoelektroniky. Zásadní prý bylo, když se vědci, nepříliš úspěšně několik let studující základní fyzikální mechanismy elektronické nelinearity grafenu, dostali k novému zdroji terahertzového záření TELBE (High-Field High-Repetition-Rate Terahertz facility), které teď mají v centru Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf.


Gensch a spol. rovněž využili lstivý trik. Použili grafen, který obsahuje množství volných elektronů. Takové elektrony se tam dostanou kvůli interakci se substrátem, na němž grafen spočívá, i s ovzduším. Když jsou takové „mobilní“ elektrony excitovány oscilujícím elektrickým polem, tak rychle předávají energii ostatním elektronům v grafenu. Pak společně fungují podobně jako ohřátá kapalina. Z elektronické „kapaliny“ grafenu v normálním stavu se tak stane elektronická „pára“. Změna fáze elektronické kapaliny v grafenu na „plynnou“ fázi proběhne neuvěřitelně rychle, za pouhé biliontiny sekundy. Přitom způsobí rychlé a zároveň výrazné změny ve vodivosti grafenu, v němž se taková záležitost odehraje. Právě tohle je přitom klíčový jev, který se v grafenu podílí na překlopení gigahertzového záření na záření terahertzové.

Literatura
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 10. 9. 2018, Nature online 10. 9. 2018.

Datum: 12.09.2018
Tisk článku

Související články:

DNA jako šablona pro součástky grafenové elektroniky     Autor: Stanislav Mihulka (08.09.2013)
Grafenové nanosíto udělá z mořské vody pitnou     Autor: Stanislav Mihulka (04.04.2017)
Jeden svět nestačí: Podivuhodný grafen míří do vesmíru     Autor: Stanislav Mihulka (18.12.2017)



Diskuze:

Nechápu jazyk vašeho kmene,

Karel Rabl,2018-09-13 13:16:14

tedy čemu "Jako Ono" nerozumíte, od pana Hrnčiříka jsem sice laik, ale většinu toho co pan Hrnčiřík zveřejňuje ve svých diskuzích chápu, nebo pochopím později,když se nad tím zamyslím.

Odpovědět

Osobná správa

Jako Ono,2018-09-13 01:34:50

Vážený pán Hrnciřik, na človeka Vášho kalibru máte podpriemerný písomný prejav a žiadne vyjadrovacie schopnosti, nehovoriac o nepochopení základného konceptu Nadpisu prispevku a Textu príspevku z Vašej strany.

Odpovědět


Re: Osobná správa

Josef Hrncirik,2018-09-13 17:59:00

Prostě jsem naivně předpokládal, že Si elektronika už není schopna efektivně generovat THz frekvence, natož s jednotlivými pulzy efektivně provádět logické operace (důvody by mohl mě neelektrikářovi někdo naznačit).
Těšil jsem se NATO, že grafen zvládne frekvence THz hravě generovat
i bez nutnosti? je připravovat s malou účinností z n*100 GHz frekvencí na nelinearitě vyšší než 2. řádu na grafénové monovrstvě,
neboť s pulzy THz by nejspíš? měl grafén prý? hladce provádět logické operace (a mohl by si tudíž THz frekvenci snadno "vyspínat" nebo alespoň naoscilovat zesílením slabého THz prvotního signálu).
Asi si to představuji jako Hurvajs III.WW.
Kde je zakopaný pes? Možná je to tak složité, že se to už vysvětlit prostě zdarma nedá.

Optimisticky. Využitím nelinearity grafénové monovrstvy nás čeká skvělá budoucnost.
Čím se nynější grafénová elektronika chlubí.

Odpovědět


Jsem z toho pumpa.

Josef Hrncirik,2018-09-13 19:46:19

Již budící pole (pumpy) v sobě mělo vyšší harmoniky, které grafen cca o 20 dB zesílil.
? okamžitě nebo až v rámci celého vlnového balíku trvajícího cca 20 ps.
Nevyžaduje vertikální budící pole 0,5 THz 80 kV/cm nutně dopad do délky cca lambda/2, tj. cca 0,3 mm vražených do nanostruktur a není to již IČ optotronika?
Vyvolání použitelné nelinearity vyžadovalo pole pumpy alespoň 10 kV/cm tj. amplitudu vlny pumpy alespoň 150 V, raději 1500 V k čemuž jim dopomáhala supravodivá pumpa TELBE. Nelineární odezva grafenu je vyvolána jeho ohřevem z pumpy a samovolným chlazením.
Ohřev je prakticky okamžitý 0,1 ps; chlazení n.ps by však značilo logický pulz délky n ps, tj. logickou frekvenci pod 1 THz. Překlápění vodivosti (optické sbsorbance) o 25%vyžaduje při(odvádět) z grafenu 0,33 uJ/cm2. Chybí tam /s; ?asi to je jen skromných 33 MW/cm2 při 1 THz, které tajná zbraň TELBE lehce dodá.
Končí to optimisticky.
Pole pumpy zde použité je 10x menší než v kanálech ultravysokofrekvenčních tranzistorů (bez mocného TELBE). (prozradili nechťa, že aktuální grafeňáky jedou max. n*100 GHz.
Máme se těšit na grafenem vyložené vlnovody a rezonátory.
Pro povyražení elektrikářů následují čistě optická schemata zařízení e optickými pyrometry a EOS (broadband mid-infrared pump-probe nanosecond Transient Absorption Spectrometer)ś.
To měli Oni oslové napsat Mě. Jsem Velký osel, že to píši Těm oslům do Osla.

Odpovědět


Přepočítal jsem to a dnes vyšlo že by stačilo při 1 THz pumpovat pouhých 330 kW/cm2. I tak je to dobrá svářečka.

Josef Hrncirik,2018-09-19 19:24:21

TELBE prý průměrně svítí 25 W. Nasvícení spotu 0,25 mm s 0,33 uJ/cm2 na 1 překlopení by při 1 THz žádalo svítit do spotu cca 160 W při 1 THz. Navíc jde něco i mimo spot. Protože TELBE dává průměrně jen 25 W, tak i při svícení do spotu je tam po většinu doby posvícení tma jak pod svícnem. Zdaleka nejsou schopni ani do grafenu napumpovat potřebný výkon aby setrvale projevoval kýženou nelineární odezvu (alespoň o 25% změněnou optickou absorbanci; to přitom však není žádaný výrazný rozdíl mezi ev. logickou 0 a 1). Prostě hodinovou frekvenci musím vždy získat bez problémů.
Na této frekvenci musím bez problémů provádět základní logické operace ať již s proudy, napětími nebo tokem či frekvencí světla. Při frekvenci hodin musí spolehlivě pracovat relátka či elektronky … či FET v požadovaných logických operacích zápisu a zpracování informace.

Odpovědět

Naní jde již jen o to, THz pulzům vnutit informaci a provádět s nimi logické operace

Josef Hrncirik,2018-09-12 08:55:16

Odpovědět


Možná postačí působit druhým polem o jiné, rušivé frekvenci

Václav Dvořák,2018-09-16 12:17:54

a takový oscilační vstup by se pak mohl chovat jako jednoduchá brána. Že toto pana potměšilého Hrnčiříka nenapadne, mně nepřekvapuje. A teď jsem zvědav, co na to "vtipný" kolega Krnič...

Odpovědět


Grafénová bleskojistková nánopojistka

Josef Hrncirik,2018-09-16 16:54:47

Pochopitelně, že netuším co to je jednoduchá či složitá brána.
Osel je v tom nevinně. Je to zcela správně přeloženo z prohlášení hzdr.de . V první větě 2. Oslího odstavce je správně přeloženo:... Komponenty soudobé křemíkové elektroniky běží na taktovacích frekvencích několika set gigahertz... (To jen v NSA!; nejrychlejší GaAs vysokorychlostní tranzistor jede snad jen 80 GHz; grafénový prý 100 GHz; určitě to nejsou procesory; sorry).
Byl to sice jen překlep, ale dobře placení němečtí akademici by to mohli za trest po sobě alespoň přečíst.
Zásadní prý bylo, když se vědci, nepříliš úspěšně několik let studující základní fyzikální mechanismy elektronické nelinearity grafenu, dostali k novému zdroji terahertzového záření TELBE (High-Field High-Repetition-Rate Terahertz facility), které teď mají v centru Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf. (bylo přivezeno na 2 kamionech).

Gensch a spol. rovněž využili lstivý trik. Použili grafen, který obsahuje množství volných elektronů. Takové elektrony se tam dostanou kvůli interakci se substrátem, na němž grafen spočívá (byl to SiO2!), i s ovzduším. Když jsou takové „mobilní“ elektrony excitovány oscilujícím elektrickým polem, tak rychle předávají energii ostatním elektronům v grafenu. Pak společně fungují podobně jako ohřátá kapalina.
Z elektronické „kapaliny“ grafenu v normálním stavu se tak stane elektronická „pára“. Změna fáze elektronické kapaliny v grafenu na „plynnou“ fázi proběhne neuvěřitelně rychle, za pouhé biliontiny sekundy (jsou jako obvykle pod párou a placeni za fázové přechody). Přitom způsobí rychlé a zároveň výrazné změny ve vodivosti grafenu, v němž se taková záležitost odehraje. (?Podobně jako běžná změna odporů vodičů s teplotou, avšak děj má nelin. dynamiku ?nejspíš kvůli vnějšímu vzniku plazma). ...Právě tohle je přitom klíčový jev, který se v grafenu podílí na překlopení gigahertzového záření na záření terahertzové. (je to však jen malé nelineární zkreslení procházejícího proudu (signálu, světla), je to vlastně tvorba vyšších harmonik v původním cca 0,5 GHz (ne dokonale harmonickém) signálu. Tento vznik vyšších harmonických (toto zkreslení signálu) se jim dříve nepodařilo změřit, neboť vzniká až při gradientu nad 10 kV/cm, když se grafen řádně zahřívá a pochopitelně následně chládne. Měřili zkreslení0,5 GHz v poli až do 80 kV/cm.
V bleskojistce se vzduch probíjí při cca ?30 kV/cm a plazma samotná při zapalování má určitě velkou nelinearitu. Bleskojistka jim určitě nestačila shořet, protože ji nakopli vždy cca jen 20 vlnami cca 0,5 GHz a v prošlém záření opticky úpěnlivě hledali stopy po nelinearitě optického prvku. Dříve tam nic nenašli, protože neměli k dispozici cca 0,5 GHz s gradientem nad 10kV/cm; dostatečnou stabilitou a kadencí oněch cca 20 vlnových balíčků; nyní i 100 kHz . I tak byl grafen potmě po 99,6% doby měření.
K nalezení až 7. harmonické bylo zapotřebí prohnat ?optickými analyzátory zkreslení min. 100 tisíc kvalitních 20 vlnových pulzů/s, což dříve neměli k dispozici. Prostě dělalo jim problémy dokázat, že to co prošlo rozžižlávajícím se grafenem už není původní HIFI.
Potměšile poznamenávám, že teprve touhle procedurou by spolehlivě našli ev. bit nesený např. 7. harmonikou tj. cca 3,5 THz. Při plném plynu kryogenního lineárního elektronového urychlovače s undulátory (TELBE) 80 kV/cm při 0,3 GHz byly efektivní nelineární optické koef. grafenu pro 3., 5., 7. harmoniku 10**-3; **-4; **-5; 9.harmoniku se jim po flámu nepodařilo najít. Tak to stojí v anotaci volného doi:
10.1038/s41586-018-0508-1; nedivím se, že to je tentokrát zdarma.
Na obr.1 v suppl. info však asi žádné brány nejsou, je to jen čirá optika s ZnTe FEOS a 1 MHz pyrometry. TELBE intenzita fluktuovala oproti průměru 10-50%. Záření před vstupem na ZnTe muselo být utlumeno, aby se neprojevila nelinearita ZnTe a nemysleli si že grafen konečně fachá. Pochopitelně museli odfiltrovat harmoniky již z budícího TELBE.
Posvícení na grafenu bylo s parabolickým zrcadlem s teflonovou čočkou do spotu 560 um. 7. harmoniku hledali až za ochranným filtrem
Za příkladný optimizmus navrhuji všem 13 multikultiřešitelům vyplatit
mimořádné prémie.
Jsem optimista, realista nebo skeptik?

Odpovědět


Re: Grafénová bleskojistková nánopojistka

Václav Dvořák,2018-09-16 20:30:59

Uf, na co by komukoli stačily dvě věty, to pan Hrnčiřík rádobyvtipně vypráví na normostránce A4...

1. nepřesnosti mohly vzniknout v překladu. Pokud jsou už v originálu, je to důvod ke kritice daného pracoviště

2. na rozdíl od bleskojistek nebo banánů bych předpokládal, že grafen má daleko větší odolnost proti hoření, probití a jiné degradaci. Takže bych nebyl zas tak silně skeptický, i když mi článek taky připadal dost šroubovaný "aby to vyšlo".

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace