如何尽可能快地传输或处理大量数据?其中一个关键可能是石墨烯。这种超薄材料只有一层原子层厚，它所包含的电子由于量子效应而具有非常特殊的性质。因此，它非常适合用于高性能电子元件。然而，到目前为止，人们对如何适当控制石墨烯的某些特性还缺乏了解。来自比勒费尔德和柏林的一组科学家以及来自德国和西班牙其他研究机构的研究人员进行的一项新研究正在改变这种状况。该团队的研究结果已发表在《科学进展》杂志上。

石墨烯由碳原子组成，是一种只有一个原子厚的材料，其中原子排列在六边形晶格中。这种原子排列导致了石墨烯的独特性质：这种材料中的电子就像没有质量一样移动。电子的这种“无质量”行为导致石墨烯具有非常高的电导率，重要的是，这种特性在室温和环境条件下保持不变。因此，石墨烯对于现代电子应用可能非常有趣。

最近发现，其电子的高电导率和“无质量”行为允许石墨烯改变通过它的电流的频率分量。此属性高度依赖于该电流的强度。在现代电子学中，这种非线性是电信号切换和处理的最基本功能之一。石墨烯的独特之处在于它的非线性是迄今为止所有电子材料中最强的。此外，它适用于极高的电子频率，扩展到技术上重要的太赫兹 (THz) 范围，这是大多数传统电子材料失效的地方。

在他们的新研究中，来自德国和西班牙的研究人员团队证明，通过对材料施加相对适中的电压，可以非常有效地控制石墨烯的非线性。为此，研究人员制造了一种类似于晶体管的设备，可以通过一组电触点将控制电压施加到石墨烯上。然后，使用该设备传输超高频 THz 信号：然后分析这些信号的传输和随后的转换与施加的电压的关系。研究人员发现，石墨烯在特定电压下变得几乎完全透明——它通常强烈的非线性响应几乎消失了。通过从这个临界值稍微增加或降低电压，石墨烯可以变成一种强非线性材料，

“这是朝着在电信号处理和信号调制应用中实施石墨烯迈出的重要一步，”比勒费尔德大学的物理学家、这项研究的负责人之一 Dmitry Turchinovich 教授说。“早些时候，我们已经证明石墨烯是迄今为止我们所知道的最非线性的功能材料。我们还了解非线性背后的物理学，现在被称为石墨烯中超快电子传输的热力学图。但直到现在我们都不知道如何控制这种非线性，这是在日常技术中使用石墨烯的缺失环节。”

“通过对石墨烯施加控制电压，我们能够改变材料中的电子数量，当向其施加电信号时，这些电子可以自由移动，”Turchinovich 教授的成员 Hassan A. Hafez 博士解释说。比勒费尔德的实验室，该研究的主要作者之一。“一方面，响应外加电场可以移动的电子越多，电流越强，这应该会增强非线性。但另一方面，可用的自由电子越多，它们之间的相互作用就越强，这抑制了非线性。在这里，我们通过实验和理论证明了，通过施加仅几伏的相对较弱的外部电压，可以为石墨烯中最强的太赫兹非线性创造最佳条件。”

“通过这项工作，我们在将石墨烯用作太赫兹变频器、混频器和调制器等设备中极其高效的非线性功能量子材料的道路上取得了一个重要的里程碑，”光学研究所的 Michael Gensch 教授说德国航空航天中心 (DLR) 和柏林技术大学的传感器系统，他是这项研究的另一位负责人。“这非常重要，因为石墨烯与现有的电子超高频半导体技术(如 CMOS 或 Bi-CMOS)完美兼容。因此现在可以设想混合设备，其中使用现有半导体技术在较低频率下产生初始电信号但是可以非常有效地上变频到更高的太赫兹频率石墨烯，一切都以完全可控和可预测的方式进行。”

来自比勒费尔德大学、DLR 光学传感器系统研究所、柏林工业大学、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心、德国马克斯普朗克聚合物研究所以及加泰罗尼亚纳米科学研究所的研究人员纳米技术(ICN2)和西班牙光子科学研究所(ICFO)参与了这项研究。

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