Graphen ist hauchdünn und gilt als vielversprechendes Materialfür die Nanoelektronik. Theoretisch soll es bis zu tausendmal schnellere Taktraten erlauben als heutige Siliziumtransistoren. Tatsächlich kann Graphen elektronische Signale mit Frequenzen im Gigahertz-Bereich extrem effizient in Signale mit einer vielfach höheren Frequenz umwandeln. Das hat ein Wissenschaftlerteam von der Universität Duisburg-Essen (UDE), dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) nun erstmals gezeigt. Ihre Ergebnisse stellen die Forscher, darunter UDE-Prof. Dmitry Turchinovich, im Fachjournal Nature* vor. 

Heutige elektronische Komponenten auf Siliziumbasis arbeiten bei maximal einigen hundert Gigahertz (GHz). Derzeit bemüht sich die Elektronikindustrie, in den Terahertz-Bereich (THz) vorzudringen, was etwa zehnmal schneller wäre. Graphen, das aus einer einzigen Lage verketteter Kohlenstoffatome besteht, gilt als potenzieller Nachfolger von Silizium. Es besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ist mit allen existierenden Elektroniktechnologien kompatibel.

Zwar wurde schon länger vorhergesagt, dass Graphen ein angelegtes elektromagnetisches Wechselfeld besonders gut in Felder mit viel höherer Frequenz umwandeln kann. Alle experimentellen Bemühungen der letzten zehn Jahre, dies nachzuweisen, blieben jedoch erfolglos. Genau das ist den Wissenschaftlern nun geglückt.

„Wir konnten nun erstmals den direkten Nachweis für die Frequenzvervielfachung vom Giga- in den Terahertz-Bereich in einer einzelnen Lage Graphen erbringen und elektronische Signale im Terahertz-Bereich erzeugen. Durch die richtige Abstimmung von der Anzahl an freien Elektronen und der anregenden Frequenz und Feldstärke konnten wir eine bemerkenswerte Effizienz erreichen“, erklärt Experimentalphysiker Prof. Dmitry Turchinovich (UDE), dessen Arbeitsgruppe auf dem Gebiet Ultrakurzzeit- und Terahertzphysik forscht. „Es ist uns auch gelungen, unsere Messungen mit einem einfachen Model, das auf physikalischen Grundprinzipien der Thermodynamik basiert ist, quantitativ gut zu beschreiben“.

Dr. Michael Gensch (HZDR), dessen Gruppe zur Ultrakurzzeit-Physik arbeitet und die neue Terahertz-Strahlungsquelle TELBE betreibt, betont: „Unsere Resultate sind in der Tat bahnbrechend und könnten den Weg für eine ultraschnelle Nanoelektronik auf Graphen-Basis ebnen.“

Die Erstautoren des Nature-Artikels sind die beiden Nachwuchswissenschaftler Hassan A. Hafez (UDE/MPI-P) und Sergey Kovalev (HZDR).

Weitere Informationen:
Zum ausführlichen Artikel: https://www.hzdr.de/db/Cms?pOid=56780&pNid=99

*Originalpublikation: H.A. Hafez, S. Kovalev, et al.: Extremely efficient terahertz high harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions, in: Nature (DOI: 10.1038/s41586-018-0508-1)

Prof. Dr. Dmitry Turchinovich, Physik, Tel. 0203/37-94352, dmitry.turchinovich@uni-due.de

Redaktion: Dr. Christine Bohnet, Leitung HZDR-Kommunikation, Tel. 0351/260-2450, c.bohnet@hzdr.de