Лазерные импульсы в графене управляют электронами с нанометровой точностью

Основные свойства Системы 2. Автор: Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/dtk9-xv6n

Исследовательская группа из Киля продемонстрировала ранее неизвестный эффект в графене — одноатомном слое углерода, открытие которого было удостоено Нобелевской премии 2010 года. На протяжении многих лет графен рассматривался как перспективный материал для наноэлектроники благодаря своей исключительной проводимости, гибкости и стабильности. Теперь исследователи из Института теоретической физики и астрофизики Кильского университета сделали этот потенциал еще ближе к реальности.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Research, доктор Ян-Филипп Йост и профессор Михаэль Бониц впервые показали, что световые импульсы могут генерировать электроны в конкретных заданных местах материала. Чтобы исследовать, как электроны движутся и взаимодействуют, они смоделировали воздействие лазерных импульсов на небольшие графеновые кластеры. Их результаты открывают совершенно новые подходы для наноэлектроники.

Световые импульсы как нанопереключатели

В этих системах сверхкороткие лазерные импульсы действуют как световые переключатели на наноуровне. Всего за фемтосекунды — миллионную долю миллиардной доли секунды — они включают и выключают электроны в точно определенных точках. Когда импульс попадает в графеновый кластер, электроны собираются на одном краю. Второй импульс может почти мгновенно генерировать электроны в другом месте. Исследователи могут направлять электроны с высокой точностью, подобно светофору, указывающему им путь.

«Мы обнаружили эту пространственную избирательность в химически полностью однородном материале — графен состоит исключительно из углерода», — объясняет Бониц. «До сих пор такой эффект был известен только в молекулах, состоящих из разных атомов с различными поглощающими свойствами. В наших графеновых кластерах управление возникает исключительно из электронной структуры и специальных топологических состояний. Даже при небольших возмущениях позиции электронов остаются стабильными, что делает контроль надежным».

Проблемы интеграции в реальные устройства

Эти открытия могут ознаменовать крупный шаг вперед для электроники следующего поколения. Современные транзисторы работают в гигагерцовом диапазоне. Компоненты на основе графена, переключаемые лазерными импульсами, могли бы функционировать в петагерцовом диапазоне — до 10 000 раз быстрее.

В системах связи точно направленные электронные пути могли бы обеспечить быструю передачу данных с минимальным энергопотреблением. Это открывает возможности для высокопроизводительных вычислений, ИИ-чипов и других сверхбыстрых электронных систем. Сложность сейчас заключается в том, чтобы надежно интегрировать возбужденные электроны в реальные схемы.

«Если эти процессы удастся перенести в реальные устройства, это станет огромным скачком для наноэлектроники», — говорит Йост.

Дополнительная информация: Ян-Филипп Йост и др., Сверхбыстрое разделение зарядов, индуцированное однородным полем в графеновых нанолентах, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/dtk9-xv6n

Источник: Kiel University

Графен продолжает удивлять научное сообщество своими уникальными свойствами. Открытие 2004 года, за которое Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию, до сих пор порождает новые исследования. Интересно, что графен является не только самым прочным материалом из известных науке, но и прекрасным проводником тепла и электричества, что делает его идеальным кандидатом для создания гибкой электроники и сенсоров нового поколения.