研究团队演示了量子材料的控制机制

如何尽可能快地传输或处理大量数据？其中一个关键可能是石墨烯。超薄材料只有一个原子层厚，它所包含的电子由于量子效应而具有非常特殊的性质。因此，它非常适合用于高性能电子元件。然而，到目前为止，对于如何适当地控制石墨烯的某些性质还缺乏了解。来自比勒费尔德和柏林的一组科学家与来自德国和西班牙其他研究机构的研究人员共同进行的一项新研究正在改变这一现状。研究小组的发现已经发表在《科学进步》杂志上。

石墨烯由碳原子组成，是一种只有一个原子厚的材料，其中的原子排列成六方晶格。 原子的这种排列是导致石墨烯独特性质的原因：该材料中的电子移动时就好像它们没有质量一样。 电子的这种“无质量”行为导致石墨烯中非常高的电导率，并且重要的是，在室温和环境条件下保持了该特性。 因此，对于现代电子应用，石墨烯可能非常有趣。

最近发现，其电子的高电子电导率和“无质量”行为使石墨烯能够改变通过它的电流的频率分量。 此属性高度依赖于此电流的强度。 在现代电子学中，这种非线性包括用于切换和处理电信号的最基本功能之一。 石墨烯的独特之处在于其非线性是迄今为止所有电子材料中最强的。 此外，它在极高的电子频率下也能很好地工作，并扩展到了技术上重要的太赫兹（THz）范围，而大多数常规电子材料都无法达到该频率。

在他们的新研究中，来自德国和西班牙的研究人员团队证明，通过在材料上施加相对适度的电压，可以非常有效地控制石墨烯的非线性。 为此，研究人员制造了一种类似于晶体管的器件，可以通过一组电触点将控制电压施加到石墨烯上。 然后，使用该设备传输超高频太赫兹信号：然后根据所施加的电压分析这些信号的传输和随后的转换。 研究人员发现，石墨烯在一定电压下几乎变得完全透明，而其通常强大的非线性响应几乎消失了。 通过从该临界值稍微增加或降低电压，可以将石墨烯转变为强非线性材料，从而显着改变发射和发射的太赫兹（THz）电子信号的强度和频率分量。

这是在电信号处理和信号调制应用中朝着实现石墨烯迈出的重要一步。以前已经证明了石墨烯是迄今为止我们所知的最非线性的功能材料。我们还了解了非线性背后的物理原理，这现在被称为石墨烯中超快电子传输的热力学图。但是直到现在还不知道如何来控制这种非线性，这是在日常技术中使用石墨烯所缺少的环节。

通过对石墨烯施加控制电压，我们能够改变材料中的电子数量，当电信号施加到石墨烯上时，这些电子可以自由移动,一方面，电子在外加电场的作用下运动得越多，电流就越强，从而增强了非线性。但另一方面，自由电子越多，它们之间的相互作用越强，从而抑制了非线性效应。在这里，我们从实验和理论两方面证明，只要施加相对较弱的几伏外加电压，就可以创造出石墨烯中最强的太赫兹非线性的最佳条件。

通过这项工作，将石墨烯用作太赫兹频率转换器，混频器和调制器等设备中的极其有效的非线性功能量子材料的过程中，已经达到了一个重要的里程碑这是非常相关的，因为石墨烯与现有的电子超高频半导体技术（例如CMOS或Bi-CMOS）完全兼容。因此，现在可以设想使用现有半导体技术以较低频率产生初始电信号的混合器件。 但随后可以完全可控和可预测的方式非常有效地将其转换为石墨烯中更高的太赫兹频率。

来自比勒费尔德大学，DLR光学传感器系统研究所，柏林工业大学，德累斯顿-罗斯森多夫亥姆霍兹中心，德国马克斯·普朗克聚合物研究所以及加泰罗尼亚纳米科学研究所的研究人员 纳米技术（ICN2）和西班牙的光子科学研究所（ICFO）参与了这项研究。