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石墨烯，具有单层碳原子构成的蜂窝状结构，是世界上已知的最薄、最轻、最强的材料。它也被认为是未来纳米电子学领域最有前景的材料之一。理论上，它应该能够达到比当今的硅基电子器件快千倍的时钟频率（clock rates）。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
创新
近日，德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）、杜伊斯堡-埃森大学（UDE）以及马普学会高聚物研究所（MPI-P）的科学家们展开合作，首次演示了用石墨烯将吉赫兹频率（相当于当今的时钟频率）范围内的电子信号，极高效地转化为频率高几倍的信号。
（图片来源：Juniks/HZDR）
研究人员将研究成果发表在科学期刊《自然》上。论文的第一作者是两个青年科学家： Hassan A. Hafez (UDE/MPI-P) 和 Sergey Kovalev (HZDR)。
技术
如今，硅基电子元件工作的时钟频率在几百吉赫兹（GHz），也就是说，它们每秒开关几百万次。目前，电子工业正在尝试达到太赫兹（THz）范围，换句话说，达到快千倍的时钟频率。
石墨烯是一种很有前景的材料，也是硅的潜在接替者。它不仅具有更高的导电性，而且兼容所有的现有电子技术。特别是，长期以来，理论预测石墨烯将会是一种非常高效的“非线性”电子材料，换句话说，是一种可以非常有效地将施加的振荡电磁场转化为更高频率的场的材料。然而，过去十年来，所有企图证明石墨烯中的这种效应的实验努力都以失败而告终。
Michael Gensch 博士的研究小组主导了超快速物理学研究，并操作了位于 HZDR 的新型 TELBE 太赫兹辐射源。不仅如此，他们的合作伙伴，在 UDE 实验物理学家 Dmitry Turchinovich 教授的领导下，成功地采用基于热力学基础物理定律的简单模型来定量描述测量结果。
通过实验演示在石墨烯中产生高效的太赫兹高次谐波，一直是大家翘首以盼的。然而，这终于在研究人员们的努力下得以实现。研究人员们采用了如下的方法：他们采用含有许多自由电子的石墨烯，这些电子来自石墨烯与它所沉积的基质以及环境空气之间的交互。如果这些移动电子通过一个振荡电场激发，它们很快地就与石墨烯中的其他电子分享能量。石墨烯的反应就像受热的流体：比方说，在石墨烯中，电子“液体”变成电子“蒸汽”。从“液体”到“蒸汽”的相变在万亿分之一秒内发生，并且引起石墨烯导电性发生特别快速与强大的变化。这是导致高效倍频的关键效应。
科学家们采用来自TELBE频率在（300 GHz~680 GHz）之间的电磁脉冲，并将它们在石墨烯中转化为三倍、五倍、七倍于初始频率的电磁脉冲，换句话说，将它们转化到太赫兹频率范围。Dmitry Turchinovich 教授解释说：“描述这种三次，五次和七次谐波频率产生效率的非线性系数非常高。因此，石墨烯可能是目前为止具有最强非线性的电子材料。测量值与我们的热力学模型之间的良好一致性表明，我们也能够采用它预测由石墨烯制成的超高速纳米电子器件的特性。”
（图片来源：参考资料【2】）
（图片来源：参考资料【2】）
实验采用了位于HZDR的ELBE高功率辐射源中心的基于新型超导加速器的TELBE太赫兹辐射源。相比于基于激光的太赫兹光源，它的脉冲频率高出百倍，从而可以达到研究石墨烯所需的测量精度。作为欧盟项目EUCALL的一部分，研究人员开发出的数据处理方法让他们可以实际使用每次每秒10万个脉冲中每一个脉冲所获取的测量数据。
Gensch 表示：“对于我们来说，没有坏的数据。因为我们可以测量每一个脉冲，所以我们能获取到达几个数量级的测量精度。就测量技术而言，我们达到了目前所能达到的极限。”
价值
这项研究的参与者之一、MPI-P 主任教授 Mischa Bonn 强调：“我们的探索是开创性的。我们证明了碳基电子器件能在超快时钟频率下极高效地运作。由石墨烯和传统半导体器件制成的超快混合元件也是可以构想的。”
凭借这一突破，研究人员正为超高速石墨烯基纳米电子器件铺平了道路。Turchinovich 教授强调：“我们不仅首次通过实验展示了石墨烯中的长期预测效果，而且与此同时定量地理解了它。在我的实验室中，我们已经花了几年时间在研究石墨烯电子非线性的基本物理机制。然而，我们的光源不足以实际上干净清楚地检测和量化倍频。因此，我们需要只有TELBE 设施才具备的实验能力。”
关键字
石墨烯、电子、太赫兹
参考资料
【1】;pOid=56780
【2】Hassan A. Hafez, Sergey Kovalev, Jan-Christoph Deinert, Zoltán Mics, Bertram Green, Nilesh Awari, Min Chen, Semyon Germanskiy, Ulf Lehnert, Jochen Teichert, Zhe Wang, Klaas-Jan Tielrooij, Zhaoyang Liu, Zongping Chen, Akimitsu Narita, Klaus Müllen, Mischa Bonn, Michael Gensch, Dmitry Turchinovich. Extremely efficient terahertz high-harmonic generation in graphene by hot Dirac fermions. Nature, 2018; DOI: 10.1038/s41586-018-0508-1