Como grandes quantidades de dados podem ser transferidas ou processadas o mais rápido possível? Uma chave para isso pode ser o grafeno. O material ultrafino tem apenas uma camada atômica de espessura e os elétrons que ele contém têm propriedades muito especiais devido aos efeitos quânticos.
Portanto, poderia ser muito adequado para uso em componentes eletrônicos de alto desempenho. Até este ponto, entretanto, havia uma falta de conhecimento sobre como controlar adequadamente certas propriedades do grafeno. Um novo estudo feito por uma equipe de cientistas de Bielefeld e Berlim, juntamente com pesquisadores de outros institutos de pesquisa na Alemanha e na Espanha, está mudando isso. As descobertas da equipe foram publicadas na revista Science Advances.
Consistindo em átomos de carbono, o grafeno é um material com apenas um átomo de espessura, onde os átomos estão dispostos em uma rede hexagonal. Esse arranjo de átomos é o que resulta na propriedade única do grafeno: os elétrons neste material se movem como se não tivessem massa. Esse comportamento “sem massa” dos elétrons leva a uma condutividade elétrica muito alta no grafeno e, mais importante, essa propriedade é mantida à temperatura ambiente e em condições ambientais. O grafeno é, portanto, potencialmente muito interessante para aplicações eletrônicas modernas.
Foi descoberto recentemente que a alta condutividade eletrônica e o comportamento “sem massa” de seus elétrons permitem que o grafeno altere os componentes de frequência das correntes elétricas que passam por ele. Esta propriedade é altamente dependente de quão forte é essa corrente. Na eletrônica moderna, essa não linearidade compreende uma das funcionalidades mais básicas para comutação e processamento de sinais elétricos. O que torna o grafeno único é que sua não linearidade é de longe o mais forte de todos os materiais eletrônicos. Além disso, ele funciona muito bem para frequências eletrônicas excepcionalmente altas, estendendo-se para a faixa de terahertz (THz) tecnologicamente importante, onde a maioria dos materiais eletrônicos convencionais falha.
Em seu novo estudo, a equipe de pesquisadores da Alemanha e da Espanha demonstrou que a não linearidade do grafeno pode ser controlada de forma muito eficiente aplicando tensões elétricas relativamente modestas ao material. Para isso, os pesquisadores fabricaram um dispositivo semelhante a um transistor, onde uma tensão de controle poderia ser aplicada ao grafeno por meio de um conjunto de contatos elétricos. Em seguida, sinais THz de ultra-alta frequência eram transmitidos pelo dispositivo: a transmissão e a posterior transformação desses sinais eram então analisadas em relação à tensão aplicada. Os pesquisadores descobriram que o grafeno se torna quase perfeitamente transparente em uma determinada voltagem – sua resposta não linear normalmente forte quase desaparece. Ao aumentar ou diminuir ligeiramente a voltagem deste valor crítico, o grafeno pode ser transformado em um material fortemente não linear, alterando significativamente a força e os componentes de frequência dos sinais eletrônicos THz transmitidos e remetidos.
“Este é um passo significativo em direção à implementação do grafeno em aplicações de processamento de sinais elétricos e modulação de sinais”, disse o Prof. Dmitry Turchinovich, físico da Universidade de Bielefeld e um dos chefes deste estudo. “Anteriormente, já havíamos demonstrado que o grafeno é de longe o material funcional mais não linear que conhecemos. Também entendemos a física por trás da não linearidade, que agora é conhecida como imagem termodinâmica do transporte ultrarrápido de elétrons no grafeno. Mas até agora não sabíamos como para controlar essa não linearidade, que era o elo que faltava com relação ao uso do grafeno nas tecnologias cotidianas. ”
“Ao aplicar a tensão de controle ao grafeno, fomos capazes de alterar o número de elétrons no material que pode se mover livremente quando o sinal elétrico é aplicado a ele”, explica o Dr. Hassan A. Hafez, um membro do Professor Dr. Turchinovich laboratório em Bielefeld, e um dos principais autores do estudo. “Por um lado, quanto mais elétrons podem se mover em resposta ao campo elétrico aplicado, mais fortes são as correntes, o que deve aumentar a não linearidade. Mas, por outro lado, quanto mais elétrons livres estiverem disponíveis, mais forte será a interação entre eles, e isso suprime a não linearidade. Aqui demonstramos – tanto experimentalmente quanto teoricamente – que, aplicando uma voltagem externa relativamente fraca de apenas alguns volts, as condições ideais para a não linearidade THz mais forte no grafeno podem ser criadas. ”
“Com este trabalho, alcançamos um marco importante no caminho para o uso do grafeno como um material quântico funcional não linear extremamente eficiente em dispositivos como conversores de frequência THz, mixers e moduladores”, disse o professor Dr. Michael Gensch do Institute of Optical Sensor Systems do German Aerospace Center (DLR) e da Technical University of Berlin, que é o outro chefe deste estudo. “Isso é extremamente relevante porque o grafeno é perfeitamente compatível com a tecnologia de semicondutor eletrônico de ultra-alta frequência existente, como CMOS ou Bi-CMOS. Portanto, agora é possível imaginar dispositivos híbridos nos quais o sinal elétrico inicial é gerado em frequência mais baixa usando a tecnologia de semicondutor existente mas pode então ser convertido de forma muito eficiente para frequências THz muito mais altas no grafeno, tudo de uma maneira totalmente controlável e previsível. ”
Pesquisadores da Bielefeld University, do Institute of Optical Sensor Systems of the DLR, da Tech-nical University of Berlin, do Helmholtz Center Dresden-Rossendorf e do Max Planck Institute for Polymer Research na Alemanha, bem como do Catalan Institute of Nanocience and A nanotecnologia (ICN2) e o Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO) da Espanha participaram deste estudo.
Publicado em 10/04/2021 21h05
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