Nowe badania nad materiałami kwantowymi, takimi jak grafen pokazuje, że elektrony mogą zachowywać się jak lepkie płyny, otwierając możliwości dla szybszych i wydajniejszych urządzeń elektronicznych.
Ten przełom doprowadził do opracowania urządzeń takich jak bolometr elektronów lepkich, które mogą ulepszyć technologie, począwszy od prędkości Internetu po nieinwazyjne skany medyczne.
Na lekcjach przedmiotów ścisłych w szkole średniej dowiedzieliśmy się, że podłączenie kabla do obwodu elektrycznego rozpoczyna przepływ elektronów, dostarczając energię do wszystkiego, od świateł po telefony.
Tradycyjnie rozumieliśmy zachowanie elektronów w metalach i półprzewodniki za pomocą prostego modelu. Z tego punktu widzenia elektrony są jak małe, niezależne cząstki – podobne do samochodów poruszających się swobodnie po otwartej autostradzie i rzadko wchodzących w interakcje ze sobą. Ten prosty model od dawna stanowi podstawę elektroniki i kształtuje sposób, w jaki projektujemy urządzenia napędzające współczesne życie.
Jednak ten tradycyjny pogląd nie wyjaśnia w pełni zachowania elektronów w niektórych pojawiających się materiałach kwantowych, takich jak grafen – wysoce przewodzący, ultracienki materiał. W grafenie elektrony nie poruszają się niezależnie, lecz płyną zbiorowo, przypominając ruch lepkiego płynu, takiego jak olej.
To odkrycie jest czymś więcej niż tylko dziwaczną obserwacją. Może to mieć decydujący wpływ na przyszły rozwój szerokiego zakresu technologii.
Odkrywanie właściwości grafenu
W laboratorium badawczym adiunkta Denisa Bandurina w College of Design and Engineering na National University of Singapore badają, w jaki sposób materiały kwantowe oddziałują z promieniowaniem elektromagnetycznym w nanoskala odkrywanie nowych zjawisk naukowych i ich potencjalnego wykorzystania w rozwoju technologii przyszłości.
W niedawnym badaniu opublikowanym w Nanotechnologia naturypodali, że grafen poddawany działaniu promieniowania elektromagnetycznego o wartości ok terahercowy częstotliwości, płyn elektronowy nagrzewa się, a jego lepkość drastycznie spada, co skutkuje niższym oporem elektrycznym – podobnie jak olej, miód i inne lepkie płyny łatwiej przepływają podczas podgrzewania na piecu.
Postęp w technologii THz
Dlaczego to jest ekscytujące?
Fale terahercowe (THz) to specjalna i wymagająca technologicznie część widma elektromagnetycznego – usytuowana pomiędzy mikrofalami a światłem podczerwonym – która ma szeroki zakres potencjalnych zastosowań. Możliwość wykrycia fal THz może odblokować znaczący postęp technologiczny
Na przykład w komunikacji obecna technologia Wi-Fi działa z częstotliwością kilku GHz, ograniczając ilość danych, które można przesłać. Promieniowanie THz, dzięki swojej znacznie wyższej częstotliwości, mogłoby służyć jako „częstotliwość nośna” dla ultraszybkich sieci wykraczających poza 5G, umożliwiając szybszy transfer danych dla urządzeń podłączonych do Internetu rzeczy (IoT), samochodów autonomicznych i niezliczonych innych zastosowań.
W obrazowaniu medycznym i przemysłowej kontroli jakości fale THz mogą przenikać wiele materiałów, dzięki czemu są przydatne do nieinwazyjnych skanów. Są także bezpieczniejsze niż promienie rentgenowskie, zapewniając wysoce selektywne i precyzyjne narzędzie obrazowania.
Wychodząc dalej, wizja THz umożliwia astronomię obserwacyjną, umożliwiając naukowcom obserwację odległych galaktyk i egzoplanet, których nie można zobaczyć w świetle widzialnym.
Rola elektroniki lepkiej w nowoczesnych technologiach
Promieniowanie THz oferuje zatem ogromny potencjał. Problem w tym, że do niedawna jego wykrycie stanowiło spore wyzwanie. Fale THz są zbyt szybkie, aby mogły je obsłużyć tradycyjne chipy półprzewodnikowe, i zbyt wolne dla konwencjonalnych urządzeń optoelektronicznych.
Badanie to pokazuje, że wykorzystując efekt redukcji lepkości, możemy stworzyć innowacyjne urządzenia wykrywające fale THz poprzez wykrywanie zmian oporu elektrycznego. Rzeczywiście, jak podano w artykule, udało im się zbudować nową klasę urządzeń elektronicznych zwanych bolometrem lepkich elektronów.
Stanowiące pierwsze praktyczne, rzeczywiste zastosowanie lepkiej elektroniki — koncepcję, którą kiedyś uważano za czysto teoretyczną — bolometry te są w stanie niezwykle dokładnie i szybko wykryć zmiany oporu, działając zasadniczo w skali pikosekundowej. Innymi słowy, bilionowe części sekundy.
Przyszłość urządzeń elektronicznych
Zrozumienie i wykorzystanie sposobu, w jaki elektrony poruszają się razem w postaci zbiorczego płynu, otwiera nam drogę do całkowitego przemyślenia konstrukcji urządzeń elektronicznych. Mając to na uwadze, zespół badawczy aktywnie pracuje nad optymalizacją tych lepkich bolometrów elektronowych pod kątem zastosowań praktycznych.
W miarę jak odkrywamy coraz więcej tajemnic wyłaniającego się świata materiałów kwantowych, staje się jasne, że tradycyjne modele zachowania elektronów już nie wystarczają. Przyjmując to nowe rozumienie lepkiej elektroniki, naukowcy mogą być o krok od odblokowania nowej fali możliwości technologicznych.
Odniesienie: „Wiskotyczna fotoprzewodnictwo terahercowe elektronów hydrodynamicznych w grafenie” M. Kravtsova, AL Shilova, Y. Yang, T. Pryadilina, MA Kashchenko, O. Popova, M. Titova, D. Voropaev, Y. Wang, K. Shein , I. Gayduchenko, GN Goltsman, M. Lukianov, A. Kudriashov, T. Taniguchi, K. Watanabe, DA Svintsov, S. Adam, KS Novoselov, A. Principi i DA Bandurin, 7 października 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y
