Tăng tốc độ của hạ tầng viễn thông lên hàng trăm lần nhờ graphene

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại đại học Bath và đại học Exeter đã khám phá ra rằng với một vài lớp graphene xếp chồng lên nhau, chúng có thể trở thành một vật liệu tuyệt vời dành cho các bộ chuyển mạch quang, qua đó mang lại tốc độ truyền tải nhanh hơn 100 lần so với công nghệ viễn thông hiện nay.

Các bộ chuyển mạch quang là một thành phần quan trọng trong hạ tầng viễn thông và mặc dù hiệu năng của chúng đã khá ấn tượng nhưng các nhà nghiên cứu từ lâu vẫn cho rằng lớp vật liệu bán kim loại (trong đó có graphene) còn khiến chúng tốt hơn.

Graphene và thế hệ viễn thông tiếp theo

Khi ánh sáng đập vào một bán dẫn kích tạp, năng lượng sẽ khiến các electron nhảy từ trạng thái năng lượng thấp (valence band - vùng hóa trị) qua một khoảng trống nhỏ (energy gap - vùng trống năng lượng) đi vào trạng thái năng lượng cao hơn (conduction band - vùng dẫn), trong đó electron có thể di chuyển tự do và dẫn điện. Sau cùng, khi năng lượng đầu tiên được rút hết, electron trở lại trạng thái ban đầu, thông qua khoảng tróng năng lượng trở lại vùng hóa trị.

Để xác định liệu một vật liệu có thể được dùng để xử lý thông tin nhanh hay không, các nhà nghiên cứu cần phải tìm hiểu kĩ càng về cách các electron di chuyển lên xuống giữa khoảng trống năng lượng trong vật liệu đó. Yếu tố quan trọng là thời gian tái hợp - thời gian cần có để một electron thực hiện một vòng di chuyển từ vùng dẫn về vùng hóa trị.

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã cải tiến các giả thuyết rằng graphene có thể là một vật liệu tuyệt hảo đối với lĩnh vực quang điện tử. Tuy nhiên, họ vẫn chưa thể kiểm nghiệm các giả thuyết của mình bởi graphene là một chất bán kim loại hay một "bán dẫn không có khoảng trống". Nói cách khác, trong graphene không có bất kì khoảng trống năng lượng nào giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Điều này có nghĩa các nhà khoa học khó có thể phân tích một cách hiệu quả tiềm năng của nó với các kỹ thuật công nghệ hiện tại.

Nhóm nghiên cứu tại Bath đã tìm ra một cách để đo thời gian tái hợp trong các chất bán kim loại như graphene. Cụ thể, họ đã đo cách các electron di chuyển trong phổ hồng ngoại của quang phổ và sự chuyển dịch của electron giữa các trạng thái lượng tử khác nhau. Qua thí nghiệm, những ngờ vực của các nhà nghiên cứu đã được chứng minh: trong khi các bộ chuyển mạch quang học thông thường phản hồi ở tỉ lệ vài pico giây (1 phần nghìn tỉ của 1 giây) thì các nhà vật lý đã quan sát được thời gian tái hợp của một bộ chuyển mạch quang học sử dụng các lớp graphen chỉ bằng 100 femto giây (1 femto giây = 1 phần triệu tỉ của 1 giây) - gần nhanh hơn gấp 100 lần.

Khám phá trên có thể mở ra cánh cửa cho một thế hệ viễn thông nhanh hơn rất nhiều và đồng thời đặt một bước tiến quan trọng hướng đến sự phát triển của công nghệ laser lượng tử xếp tầng (Quantum cascade laser hay QCL) có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng từ thiết bị cảm nhận từ xa khí và chất ô nhiễm trong môi trường, thiết bị phát hiện chất hóa học trong hơi thở, công cụ chuẩn đoán y học cho đến các hệ thống cảnh báo va chạm và điều khiển dẫn đường cho xe hơi.

Nghiên cứu của đại học Bath và Exeter đã được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters.