石墨烯中的量子隧穿效应推动太赫兹无线通信时代

一支由俄罗斯和英国的研究人员组成的联合团队基于石墨烯中量子遂穿效应制造了一种高灵敏度太赫兹探测器。

在本工作中，作者证明了所谓的隧道式场效应晶体管对太赫兹信号的检测是非常有效的。要了解它的工作原理，我们可以回顾一下机电继电器的原理，即电流通过控制触点导致两个导体之间的机械连接，从而导致电流的出现。在隧道式晶体管中，对控制触点（称为”栅极”）施加电压会导致源极和通道的能量水平对齐。这也导致了电流的流动。隧道式晶体管的一个显著特点是它对控制电压的敏感性非常强。即使是能量水平的微小 “失调”，也足以中断量子力学隧道的微妙过程。同样，控制栅极上的小电压也能够 “连接 “各电平，启动隧道电流。

该装置基于双层石墨烯，这种独特的材料可以通过电压来控制能级的位置(能带结构)。这使得研究人员能够在单个器件中在经典传输和量子隧穿传输之间切换，而只需要改变控制触点处的电压极性。这种可能性对于精确比较经典晶体管和量子隧穿晶体管的探测能力是极其重要的。

该器件的灵敏度已经优于基于半导体和超导体的商用类似物，这为石墨烯探测器在无线通信、安全系统、射电天文学和医学诊断中的应用开辟了前景。

实验表明，该器件在隧道模式下的灵敏度比经典传输模式下的灵敏度高出几个数量级。在嘈杂的背景下，探测器可分辨的最小信号已经可以与市面上的超导和半导体栓仪相媲美。然而，这并不是极限–探测器的灵敏度可以在低浓度残留杂质的 “清洁 “设备中进一步提高。开发出的检测理论，经过实验测试，表明 “最佳 “探测器的灵敏度可以提高百倍。

研究结果已发表在《自然》子刊《自然通讯》(Nature Communications)上。