Разработка Китайской академии наук показала широкую полосу, низкое энергопотребление и стабильную работу там, где тепловой шум обычно рушит чувствительность.
Обычные диоды десятилетиями помогают электронике «считывать» радиоволны, свет и другие электромагнитные сигналы, но у такой схемы давно виден потолок. На высоких частотах растут помехи, слабые сигналы теряются в тепловом шуме, а скорость упирается в время, за которое электроны успевают пройти через устройство. Исследователи из Китайской академии наук заявили, что нашли способ обойти сразу несколько таких ограничений.
В работе, опубликованной в Nature Electronics, команда представила новое устройство под названием rectenna, гибрид выпрямителя и антенны. В основе конструкции лежит вейлевский полуметалл NbIrTe4, или тетрателлурид ниобия-иридия. Такой квантовый материал помогает напрямую и очень эффективно превращать электромагнитные волны в электрический сигнал, причем без охлаждения и при комнатной температуре.
Классические p-n-диоды работают за счет нелинейного движения электронов. Благодаря такой особенности диод умеет выпрямлять переменный ток и смешивать сигналы разных частот. Проблема в том, что тепловые эффекты вносят шум и заставляют электроны двигаться хаотично, а слабые входные сигналы на таком фоне распознавать все труднее. Второе узкое место связано со скоростью переноса заряда через прибор. На очень высоких частотах задержка уже начинает мешать нормальной работе.
Авторы новой работы решили отказаться от привычной схемы и построили устройство, где материал сам обеспечивает нужное преобразование благодаря особенностям зонной структуры и топологии. В результате rectenna на базе NbIrTe4 показала широкий рабочий диапазон от 20 до 820 ГГц. Эксперимент также продемонстрировал частотную гребенку выше 27-го порядка, субгармоническое смешение при низкой мощности входного сигнала на уровне −25 dBm, перестраиваемую боковую полосу шире 100 ГГц и промежуточные сигналы свыше 27 ГГц.
Для лабораторного прототипа набор характеристик выглядит особенно сильным, потому что устройство сохраняет высокую эффективность без экстремальных условий и не требует большой подводимой мощности. По сути, исследователи показали компактный элемент, который одновременно принимает сигнал и преобразует его в удобную для электроники форму.
Если технологию удастся довести до практического применения, разработка может пригодиться в системах беспроводной связи нового поколения, работающих в миллиметровом и терагерцовом диапазонах, в миниатюрных высокочувствительных сенсорах и в более быстрых оптоэлектронных устройствах. Работа китайской команды также открывает дорогу для новых rectenna на базе других топологических материалов, которые раньше рассматривались скорее как экзотика для фундаментальной физики, чем как основа для реальной электроники.