Интернет в ерата след 6G: Защо терахерцовите вълни са толкова важни и защо е трудно да бъдат овладени

Представете си електронен превключвател, който работи не само бързо, но и на честоти, на които конвенционалната електроника вече започва да се „задъхва“. Именно към такава скорост се приближават терахерцовите квантови устройства, а сега те имат шанс да станат по-практични: учени от UNIST заедно със свои колеги от университета в Аджоу показаха нова версия на такова устройство, което може да издържа на работа в силни електрически полета и не се самоунищожава поради прегряване.

Терахерцовите квантови устройства са интересни, тъй като са в състояние да обработват сигнали на нива, недостъпни за класическите полупроводници.

Работата им се основава на квантовото тунелиране: под въздействието на терахерцови вълни електроните преминават през енергийна бариера по начин, който не може да бъде обяснен от „конвенционалната“ физика. Терахерцовият диапазон е електромагнитно колебание, което се появява трилиони пъти в секунда, и именно на тези честоти бъдещите комуникационни системи биха могли да постигнат забележимо увеличение на скоростта.

Проблемът се състои в това, че обикновено са необходими изключително силни полета, от порядъка на 3 волта на нанометър, за да се задейства тунелирането. Това води до огромно нагряване и тогава започва най-неприятната част: металните електроди могат да се разрушат или дори да се стопят. В резултат на това устройството губи стабилност и надеждност, което е ключов фактор за намиране на реални приложения.

Екипът, ръководен от професор Хьон Рьол Парк (UNIST) и професор Сан Ун Ли (Аджоу) решава да постъпи по обратния начин: не да „избутва“ електроните с все по-силно поле, а да опрости пътя им. За тази цел изследователите заменят изолатора между електродите. Вместо традиционния алуминиев оксид Al₂O₃, те използвали титанов диоксид TiO₂, който има по-ниска енергийна бариера, така че за електроните е по-лесно да тунелират при по-ниски напрежения. Според първия автор на статията Кансон Джи, тъй като тунелирането е вероятностно, понижаването на бариерата драстично увеличава шанса процесът да се случи.

Специално внимание е обърнато на качеството на тънкия слой. Учените са използвали атомно отлагане на слоеве – технология, позната от съвременната микроелектроника, която позволява много прецизен контрол на дебелината и състава на материала. Това е важно, тъй като микродефекти като кислородни празнини в тънките слоеве могат да се превърнат в слабо място и да влошат стабилността. Професор Санг Ун Лий подчертава, че именно „чистият“ слой без такива дефекти е помогнал за постигането на надеждна работа.

В резултат на това устройството стабилно демонстрира тунелиране още при поле от около 0,75 V/nm, т.е. при около 1/4 от предишните изисквания.

Благодарение на добрите термични свойства на TiO₂, то издържа повече от 1000 цикъла на работа и остава стабилно дори при модулация на преминаването на терахерцови вълни до 60%. Изследването е публикувано в списание ACS Nano, а авторите смятат, че са успели да затворят едновременно две големи болки на направлението: необходимостта от високи напрежения и повредите, дължащи се на нагряване. Ако подходът се докаже в по-нататъшни разработки, той би могъл да доближи енергийно ефективните свръхбързи комуникационни системи и новите квантови сензори, насочени към ерата след 6G.