Le graphène impulse les signaux gigahertz dans le domaine du térahertz

Le graphène, une couche de l’épaisseur d’un atome constituée d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille, est le matériau le plus fin et le plus résistant connu de l’homme et il s’agit d’un excellent conducteur de la chaleur et de l’électricité. Depuis 2004, lorsque les chercheurs ont découvert la façon de l’extraire du graphite, le graphène a offert de nouvelles possibilités au monde de la science et de la technologie. Au cours de cette dernière décennie, les scientifiques ont prédit que sa structure unique ferait du graphène un matériau particulièrement efficace pour transformer des signaux électroniques et optiques en signaux à fréquences très supérieures. Cependant, tous les efforts menés pour en faire la démonstration se sont avérés infructueux.

Aujourd’hui, pour la première fois, une équipe de chercheurs, dont deux sont soutenus par le projet EUCALL financé par l’UE, a prouvé que le graphène est en effet capable de transformer les signaux électroniques en signaux situés dans la gamme des térahertz (THz), avec des billions de cycles par seconde. Les résultats de l’équipe sont présentés dans une étude publiée dans la revue «Nature».

Interaction non linéaire

Les composants électroniques à base de silicium utilisés actuellement génèrent des fréquences d’horloge dans la gamme des gigahertz, où 1 GHz correspond à 1 000 millions de cycles par seconde. Les scientifiques ont prouvé que le graphène peut transformer les signaux de ces fréquences en signaux pouvant atteindre des fréquences des milliers de fois plus élevées que celles produites par le silicium.

Au cœur de ce phénomène se trouve l’interaction non linéaire extrêmement efficace entre la lumière et la matière qui a lieu dans le graphène. Les chercheurs ont utilisé du graphène contenant un nombre élevé d’électrons libres provenant de l’interaction entre le graphène et le substrat sur lequel il a été déposé. Lorsque ces électrons ont été excités par un champ électrique oscillant à température ambiante, ils ont rapidement partagé leur énergie avec des électrons liés du matériau. Par conséquent, les électrons ont réagi comme un liquide chauffé, passant de l’état liquide à l’état de vapeur à l’intérieur du graphène en quelques millièmes de milliardième de seconde. Cette transition a entraîné des changements rapides et puissants de la conductivité du matériau, multipliant ainsi la fréquence des pulsations GHz originales.

«Nous sommes désormais capables d’offrir la première preuve directe de multiplication de la fréquence de gigahertz à térahertz dans une monocouche de graphène, et de générer des signaux électroniques de l’ordre des térahertz avec une efficacité remarquable», explique le Dr Michael Gensch, coauteur et scientifique confirmé au Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dans un communiqué de presse publié sur le site web du partenaire du projet.

Rendement de conversion élevé

Les fréquences des pulsations électromagnétiques originales qui ont été générées aux installations TELBE du HZDR étaient de l’ordre de 300 à 680 GHz. Les scientifiques les ont transformées en signaux affichant trois, cinq et sept fois la fréquence initiale. «Ces rendements de conversion sont remarquablement élevés, étant donné que l’interaction électromagnétique a lieu dans une seule couche atomique», déclarent les auteurs dans leur étude.

La découverte révolutionnaire soutenue par EUCALL (European Cluster of Advanced Laser Light Sources) présente le graphène comme un candidat prometteur pour l’avenir de la nanoélectronique.

Pour plus d’informations, veuillez consulter:
site web du projet EUCALL