Ученые создали сверхбыстрое квантовое устройство для эры 6G и терагерцовых сетей

Исследовательская группа из Института науки и технологий Ульсана (UNIST) представила квантовое устройство, способное к сверхбыстрой работе, что является ключевым шагом на пути к реализации технологий, таких как связь 6G. Эта инновация преодолевает главное препятствие, долгое время ограничивавшее долговечность подобных устройств в условиях высоких электрических полей.

Терагерцовое поле, управляющее туннелированием Фаулера-Нордхейма в нанозазорах TiO₂. Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c12360

Профессор Хён Рёль Пак с кафедры физики UNIST в сотрудничестве с профессором Сан Вун Ли из Университета Аджу разработал терагерцовое квантовое устройство, которое может работать надежно, не страдая от повреждений интенсивными электрическими полями — это было серьезной проблемой для существующих технологий.

Как работают терагерцовые квантовые устройства

Терагерцовые квантовые устройства считаются необходимыми для будущих высокоскоростных систем связи, обеспечивая быструю обработку сигналов далеко за пределами возможностей традиционных полупроводников. Они работают, используя квантовое туннелирование электронов, управляемое терагерцовыми волнами — высокочастотными электромагнитными волнами, колеблющимися миллиарды раз в секунду. Это явление, при котором электроны проходят через энергетические барьеры способом, необъяснимым классической физикой.

Основным препятствием было то, что для индуцирования туннелирования требуются чрезвычайно сильные электрические поля — около 3 вольт на нанометр, — которые генерируют много тепла. Это тепло часто повреждает или расплавляет металлические электроды устройства, затрудняя надежную работу.

Инновационные материалы и методы изготовления

Чтобы решить эту проблему, команда разработала новое устройство, способное работать при гораздо более низких электрических полях — примерно в четверть от ранее необходимых. Секрет заключается в замене изоляционного материала, зажатого между металлическими электродами.

Вместо традиционного оксида алюминия (Al₂O₃) они использовали диоксид титана (TiO₂), который имеет более низкий энергетический барьер и позволяет электронам туннелировать с меньшими усилиями.

Работа опубликована в журнале ACS Nano.

Гансон Джи, первый автор исследования, пояснил: «Вместо того чтобы толкать электроны более сильными электрическими полями, мы создаем пути, которые облегчают движение электронов. Поскольку туннелирование — это вероятностный квантовый эффект, снижение энергетического барьера значительно увеличивает шансы его возникновения».

Используя передовые методы атомно-слоевого осаждения, команда создала высококачественные устройства. Этот метод, широко используемый в производстве полупроводников, позволил точно контролировать слой TiO₂, предотвращая микроскопические дефекты, такие как кислородные вакансии, которые часто возникают при изготовлении тонких пленок.

Профессор Сан Вун Ли добавил: «Применяя передовую технологию осаждения, нам удалось устранить дефекты, которые могли бы ослабить устройство, обеспечив высокую стабильность и производительность».

Производительность и будущие применения

Новое устройство продемонстрировало стабильную работу туннелирования при электрических полях около 0,75 В/нм. Благодаря отличным тепловым свойствам TiO₂ оно сохраняло стабильную производительность в течение более 1000 циклов, даже при модуляции передачи терагерцовых волн до 60%. Такой уровень стабильности стал значительным достижением, указывающим на практическое применение.

Профессор Хён Рёль Пак подвел итог: «Мы решили две самые большие проблемы — работу при высоком напряжении и повреждения, связанные с нагревом, — которые сдерживали коммерциализацию терагерцовых квантовых устройств. Этот прорыв открывает путь к сверхбыстрым, энергоэффективным оптическим системам связи за пределами 6G и передовым технологиям квантового зондирования».

Больше информации: Gangseon Ji et al, Low-Field Terahertz Quantum Tunneling in Metal–TiO₂–Metal Nanogaps via Schottky Barrier Engineering, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c12360

Источник: Ulsan National Institute of Science and Technology