Современная кремниевая электроника оперирует частотами в несколько сот гигагерц. Перспективным материалом и заменой кремнию для планируемого перехода в терагерцевый диапазон считают графен, обладающий высокой проводимостью и совместимый с существующими электронными технологиями. Теория давно предсказала, что графен может быть очень эффективным «нелинейным» материалом, то есть может преобразовывать электромагнитные осцилляции со значительным повышением их частоты.

Первое экспериментальное подтверждение этого представили учёные Центра Гельмгольца (Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR), Университета Дуйсбурга-Эссена (UDE) и Института исследований полимеров имени Макса Планка (MPI-P). Полученные результаты они опубликовали в журнале Nature.

Для генерирования высоких, терагерцевых гармоник авторы использовали графен с большим содержанием свободных электронов, полученных в результате взаимодействия с подложкой и окружающим воздухом. Будучи возбужденными осциллирующим электрическим полем, они очень быстро обмениваются энергией с другими электронами графена, реагирующими как перегретая жидкость. Переход такой «жидкости» в фазу «пара» происходит за триллионные доли секунды и вызывает резкое изменение проводимости графена. Это и есть ключевой эффект, ведущий к эффективному умножению частоты.

В экспериментах входящие импульсы с частотой от 300 до 680 ГГц от терагерцевого источника TELBE в Центре Гельмгольца вызывали в графене генерирование третьей, пятой и седьмой гармоник (частота умножалась в 3,5 и 7 раз) с необычно высокими коэффициентами нелинейности.

«Мы смогли не только экспериментально продемонстрировать давно предсказанный эффект в графене, но и объяснить его количественно, — добавил профессор UDE, Дмитрий Турчинович. — Хорошее согласие измеренных значений с нашей термодинамической моделью показывает, что мы сможем использовать её также для прогнозирования свойств сверхбыстродействующих наноэлектронных устройств, изготовленных из графена».