新材料作为一个有效的频率倍增器-可能导致更快的数据传输和更强大的处理器

更高的频率意味着更快的数据传输和更强大的处理器–这个公式多年来一直在推动IT行业的发展。然而,从技术上讲,保持时钟频率和无线电频率的增长绝非易事。新材料可以解决这个问题。实验在Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)已经产生了一个有前途的结果:一个国际研究小组的研究能够得到一个新材料提高太赫兹辐射的频率快七倍:潜在的IT应用程序的第一步,该集团在《自然》杂志上报道的通信。

当智能手机接收数据,计算机芯片进行计算时,这一过程总是涉及到交替电场,使电子沿明确的路径发送。更高的场频率意味着电子可以更快地完成它们的工作,从而实现更高的数据传输速率和更高的处理器速度。目前的上限是太赫兹范围,这就是为什么世界各地的研究人员都热衷于了解太赫兹场如何与新材料相互作用。我们在HZDR的TELBE太赫兹设备是详细研究这些相互作用和确定有前景的材料的优秀资源。来自hzdr&r的辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert说。一种可能的候选者是砷化镉,例如。

这位物理学家与来自德累斯顿、科隆和上海的研究人员一起研究了这种化合物。砷化镉(Cd3As2)属于所谓的三维狄拉克材料,其中电子可以非常迅速和有效地相互作用,既与彼此作用,也与快速振荡的交变电场作用。我们特别感兴趣的是砷化镉是否也能发出新的更高频率的太赫兹辐射。TELBE beamline的科学家Sergey Kovalev解释道。我们已经在二维狄拉克材料石墨烯中非常成功地观察到了这一点。研究人员怀疑,砷化镉的三维电子结构将有助于在这种转换中获得高效率。

为了验证这一点,专家们使用了一种特殊的工艺,从砷化镉中生产出超薄、高纯度的血小板,然后将其置于TELBE设备的太赫兹脉冲下。血小板后面的探测器记录了砷化镉对辐射脉冲的反应。结果:我们能够证明砷化镉作为一个高效的倍频器不会失去它的效率,即使在特尔贝产生的非常强的太赫兹脉冲下也不会失去它的效率。目前在科隆大学工作的前HZDR研究员王哲报道。这个实验首次证明了太赫兹频率在这类仍然年轻的材料中倍增至七次谐波的现象。

除了实验证据,这个团队和马克斯·普朗克复杂系统物理研究所的研究人员还提供了发生的详细理论描述:太赫兹脉冲撞击砷化镉产生了一个强电场。这个场加速了材料中的自由电子。Deinert描述。想象一下,大量的小钢球在盘子上滚动,盘子快速地从一边倒到另一边。

砷化镉中的电子通过发射电磁辐射响应这种加速。关键的是,它们并不完全跟随太赫兹场的节奏,而是在更为复杂的路径上振荡,这是这种材料不寻常的电子结构造成的结果。结果,电子以原始频率的奇数倍发射出新的太赫兹脉冲。与钢琴相似的非线性效果:当你敲击键盘上的a键时,乐器不仅发出你弹奏的键的声音,而且还发出丰富的泛音,即和声。

这一现象为未来的许多应用提供了前景,例如在无线通信领域,无线通信的发展趋势是使用更高的无线电频率,比现在的传统信道传输更多的数据。该行业目前正在推出5G标准。用狄拉克材料制成的元件有一天会使用更高的频率–从而实现比5G更大的带宽。这种新型材料似乎也会引起未来计算机的兴趣,因为从理论上讲,基于dirac的元件比现在基于硅的技术能产生更高的时钟速率。

但首先,它背后的基础科学需要进一步研究。我们的研究结果只是第一步,强调哲王。&ldqu在我们预想具体应用之前,我们需要提高新材料的效率。为此,专家们想知道通过施加电流控制频率倍增的效果。他们希望在样品中加入外来原子,以优化非线性频率转换。

参考文献:三维狄拉克半金属cd3as2的非摄动太赫兹高谐波产生作者:Sergey Kovalev, Renato M. A. Dantas, Semyon Germanskiy, Jan-Christoph Deinert, Bertram Green, Igor Ilyakov, Nilesh Awari, Min Chen, Mohammed Bawatna, Ling Jiwei, Faxian Xiu, Paul H. M. van Loosdrecht, Piotr Surówka, Takashi Oka和wangzhe, 2020年5月15日,自然通讯。