來自MIPT、莫斯科國立教育大學和曼徹斯特大學的科學家基於石墨烯中的量子力學隧穿效應，發明了一種高度敏感的太赫茲探測器。該裝置的靈敏度已經優於基於半導體和超導體的商用類似物，這為石墨烯探測器在無線通訊、安全系統、射電天文學和醫療診斷領域的應用開闢了前景。研究結果發表在《自然通訊》雜誌上。

無線網路中的資訊傳輸是基於將高頻連續電磁波轉換成離散的位元序列。這種技術被稱為訊號調製。為了更快地傳輸位元，我們必須提高調製頻率。然而，這需要同步增載入波頻率。普通的調頻無線電傳輸頻率為100兆赫，Wi-Fi接收器使用的訊號頻率約為5千兆赫，而5G行動網路可以傳輸高達20千兆赫的訊號。這遠遠沒有達到極限，而且進一步增載入波頻率也會相應地增加資料傳輸速率。不幸的是，接收頻率在千兆赫甚至更高的訊號是一個越來越具有挑戰性的問題。

無線通訊中使用的典型接收機包括一個基於電晶體的弱訊號放大器和一個將調製訊號中的位元序列整流的解調器。這種方案起源於無線電和電視時代，在移動系統所需的數百千兆赫的頻率上變得低效。事實是，現有的大多數電晶體的速度都不足以在如此高的頻率下充電。

解決這一問題的漸進方法是增加電晶體的最大工作頻率。奈米電子學領域的大多數專家都在朝著這個方向努力工作。20世紀90年代初，物理學家Michael Dyakonov和Michael Shur在理論上提出瞭解決這一問題的革命性方法，並在2018年由這組作者等人實現。它意味著放棄有源放大電晶體，並放棄一個單獨的解調器。電路中剩下的是一個單電晶體，但現在它的作用不同了。由於其電流與電壓降之間的非線性關係，它可以自行將調製訊號轉換成位序列或語音訊號。

在目前的工作中，作者證明了在所謂的隧穿場效應電晶體中檢測太赫茲訊號是非常有效的。要理解它的工作原理，我們可以回想一下機電繼電器的原理，電流透過控制觸點，導致兩根導體之間的機械連線，從而產生電流。在隧穿電晶體中，在控制觸點(稱為“門”)上施加電壓可使源極和通道的能級對齊。這也會導致電流的流動。隧穿電晶體的一個顯著特點是它對控制電壓非常敏感。即使是一個很小的能級“失諧”，也足以中斷量子力學隧穿的微妙過程。類似地，在控制門處的一個小電壓能夠“連線”電平並啟動隧穿電流。

“強烈反應的想法隧穿電晶體的低電壓已經有十五年了,”德米特里•Svintsov博士說,這項研究的作者之一、二維材料的光電子學實驗室主管初期光子學中心和二維材料。但它只在低功耗電子領域被人所知。在我們之前，沒有人意識到隧穿電晶體的同樣特性可以應用於太赫茲探測器技術。我和格奧爾基•阿利莫夫(Georgy Alymov，這項研究的合著者)很幸運地在這兩個領域都工作過。然後我們意識到:如果電晶體在低功率的控制訊號下開啟和關閉，那麼它也應該能很好地接收周圍環境的微弱訊號。”

這種裝置基於雙層石墨烯，這種獨特的材料可以透過電壓來控制能級的位置(更嚴格地說，是能帶結構)。這使得作者能夠在單個器件中在經典傳輸和量子隧穿傳輸之間切換，而只需要改變控制觸點處的電壓極性。這種可能性對於精確比較經典電晶體和量子隧穿電晶體的探測能力是極其重要的。

實驗表明，在隧道模式下器件的靈敏度比在經典傳輸模式下高几個數量級。探測器在噪聲背景下所能識別的最小訊號已經與商用超導和半導體輻射熱計競爭。然而，這並不是極限——探測器的靈敏度可以在“清潔”裝置中進一步提高，殘留雜質濃度較低。所開發的檢測理論，透過實驗驗證，表明最優檢測器的靈敏度可以提高100倍。

這項研究的作者Denis Bandurin博士說:“目前的特性給創造快速、靈敏的無線通訊探測器帶來了很大的希望。”這個領域並不侷限於石墨烯，也不侷限於隧道電晶體。我們期望，在同樣成功的情況下，一個了不起的探測器可以被創造出來，例如，基於電子控制的相變。事實證明，石墨烯只是一個很好的發射臺，只是一扇門，背後是整個令人興奮的新研究世界。”

本文提出的結果是幾個研究小組之間成功合作的一個例子。作者指出，正是這種工作形式讓他們獲得了世界級的科學成果。例如，早些時候，同一組科學家演示了石墨烯電子海中的波如何有助於太赫茲技術的發展。”在一個快速發展的科技時代,它正變得越來越難以實現競爭的結果,”喬治Fedorov博士評論nanocarbon材料實驗室副主任初期,“只有結合幾組的努力和專業知識,我們才能成功地實現最困難的任務和實現最雄心勃勃的目標,我們將繼續這樣做。”