Um den gesamten Kontext zu verstehen, wird empfohlen, die Hauptinhalte anzusehen. Es wurde eine nächste Generation von Quantenbauelementen entwickelt, die Elektronen im Piko-Sekunden-Bereich steuern können. Das Forschungsteam hat ein Terahertz-Quantenbauelement entwickelt, bei dem das Tunnelverhalten selbst bei einem Viertel der üblichen elektrischen Felder effizient ist.

Professor Park Hyung-ryeol von der UNIST betont: „Wir haben das größte Hindernis für die Kommerzialisierung von Terahertz-Quantenbauelementen, nämlich Probleme mit Hochspannung und thermischer Zerstörung, grundlegend gelöst. Dies wird eine grundlegende Technologie für zukünftige optische Kommunikationsbauelemente und hochsensible Quantensensoren sein.“

Die neu entwickelten Bauelemente könnten, obwohl sie sich noch im experimentellen Stadium befinden, die Entwicklung von energieeffizienten optischen Bauelementen oder Erntesystemen für Energie sowie Plattformen für Quantenmessungen beschleunigen.

Am 30. wurde bekannt gegeben, dass Professor Park Hyung-ryeol und sein Forschungsteam an der UNIST zusammen mit Professor Lee Sang-woon von der Ajou-Universität ein neuartiges Terahertz-Quantenbauelement entwickelt haben.

Obwohl es bereits Quantenbauelemente gibt, enthalten sie Nachteile, wenn sie starken elektrischen Feldern ausgesetzt sind. Im Gegensatz dazu eignet sich das Terahertz-Quantenbauelement für Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen wie 6G, da es Elektronentunnelung durch Terahertz-Wellen anwendet, die mit einer Frequenz von 10¹² Mal pro Sekunde vibrieren.

Allerdings ist die Anwendung eines extrem starken Terahertz-Elektrofeldes von 3 V/nm erforderlich, um die Tunnelung zu induzieren. Dieses starke elektrische Feld verursacht Wärme, die zu einer Schmelze der Metallelektroden oder einer Zerstörung der Struktur führen kann. Das Bildnis ist, dass dies dem Aufeinandertreffen einer Person mit 160 cm Größe und einem Spannungswert von 4,8 Milliarden V entspricht.

Das Forschungsteam entwickelte nun ein Terahertz-Quantenbauelement, das schon bei einem Viertel des üblichen elektrischen Feldes effektiv tunnelt. Dies wurde erreicht, indem der Isolator zwischen den Metallelektroden von Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf Titanoxid (TiO₂) umgestellt wurde, was dazu beiträgt, die Energiebarriere zu verringern.

Der Hauptautor der Studie, Ji Kang-seon, erläutert: „Wir haben hier einen Ansatz gewählt, der nicht auf das Abdrängen von Elektronen durch starke elektrische Felder abzielt, sondern ihnen den Weg ebnet, um sich leichter zu bewegen. Die Tunnelung ist ein probabilistisches Phänomen, das stark zunimmt, wenn die Höhe der Energiebarriere gesenkt wird.“

Das Team nutzte optimierte Atomlagenabscheidungsprozesse, um qualitativ hochwertige Bauelemente herzustellen. Bei der ursprünglichen Abscheidung von Titanoxidfilmen auf Metallelektroden gab es Defekte in Form von atomaren Mikroporen (Sauerstoffporen), die auftraten.

Professor Lee Sang-woon von der Ajou-Universität erklärte: „Durch die Anwendung modernster Atomlagenabscheidungstechnologien, die auch in der Massenproduktion von Halbleiter-Logik- und Speichereinheiten verwendet werden, konnten wir die Defekte durch Sauerstoffporen im nächsten Quantenbauelement beheben.“

Die Atomlagenabscheidung ist eine Methode, bei der Rohgas abwechselnd injiziert wird, um atomare Filmschichten auf einem Substrat zu lagern.

Das entwickelte Bauelement zeigte stabilen Tunnelbetrieb selbst bei einem elektrischen Feld von etwa 0,75 V/nm. Darüber hinaus gelang es dank der Fähigkeit von Titanoxid zur Wärmeabfuhr, bei Bedingungen, die eine Terahertz-Wellendurchlässigkeit von bis zu 60 % regulierten, über 1.000 Zyklen ohne Leistungsabfall stabil zu operieren.

Professor Park zur UNIST hebt hervor: „Wir haben das größte Hindernis für die Kommerzialisierung von Terahertz-Quantenbauelementen, nämlich Hochspannungsdrift und thermische Zerstörung, grundlegend gelöst. Dies wird eine Schlüsseltechnologie für die Zukunft der optischen Kommunikationsbauelemente und hochsensibler Quantensensoren sein.“

Die Forschung wurde in der internationalen Fachzeitschrift für Nanowissenschaften, ACS Nano, online veröffentlicht. Sie wurde mit Unterstützung des Ministeriums für Wissenschaft und Informations- und Kommunikationstechnologie und der National Research Foundation of Korea (NRF) sowie des Institute for Information and Communication Planning and Evaluation (IITP) durchgeführt.

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