一組研究人員透露，可以在石墨烯晶體管中產(chǎn)生音爆和多普勒頻移聲波，為這種世界著名的材料及其在納米電子技術(shù)中的應(yīng)用潛力提供了新的見解。
當(dāng)警車向您疾速駛來并伴隨著警笛聲經(jīng)過時(shí)，您可以聽到警笛聲頻率的明顯變化。這就是多普勒效應(yīng)。當(dāng)噴氣式飛機(jī)的速度超過音速（約760英里/小時(shí)）時(shí)，它施加在空氣上的壓力會(huì)產(chǎn)生沖擊波，可以聽到巨大的超音速或雷聲； 這就是馬赫效應(yīng)。
來自拉夫堡、諾丁漢、曼徹斯特、蘭開斯特和堪薩斯大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些現(xiàn)象的量子力學(xué)版本發(fā)生在由高純度石墨烯制成的電子晶體管中。
他們的新研究成果---石墨烯的非平衡費(fèi)米子揭示了伴隨馬赫超音速和朗道速度效應(yīng)的多普勒頻移磁聲子共振，已于今天發(fā)表在《Nature Communications》上。
石墨烯經(jīng)常被稱為“神奇”材料。它的強(qiáng)度是鋼的100多倍，同時(shí)非常輕，導(dǎo)電性是硅的 100 多倍，并且在所有已知材料中在室溫下具有最低的電阻率。這些特性使石墨烯非常適合一系列應(yīng)用，包括用于改善手機(jī)和平板電腦觸摸屏以及提高電子電路速度的涂層。該研究團(tuán)隊(duì)使用強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)來加速由六方碳原子晶格組成的原子級(jí)薄石墨烯單層中的電子流。
在足夠高的電流密度下，相當(dāng)于每平方米約 1000 億安培通過單個(gè)碳原子層，電子流達(dá)到每秒 14 公里（約 30,000 英里/小時(shí)）的速度并開始搖動(dòng)碳原子，因此發(fā)射量子化的聲能束，稱為聲學(xué)聲子。這種聲子發(fā)射被檢測(cè)為晶體管電阻的諧振增加；在石墨烯中觀察到超音速爆炸。
研究人員還觀察到了低電流下多普勒效應(yīng)的量子力學(xué)模擬，當(dāng)高能電子在量子化回旋加速器軌道之間跳躍并發(fā)射聲子時(shí)，它們的頻率會(huì)出現(xiàn)類似多普勒的上移或下移，具體取決于聲音的方向相對(duì)于高速電子的波。通過將他們的石墨烯晶體管冷卻到液氦溫度，該團(tuán)隊(duì)檢測(cè)到第三種現(xiàn)象，其中電子通過電荷相互作用，并以臨界速度在量子能級(jí)之間進(jìn)行“無聲子”跳躍，即所謂的朗道速度。
該論文的作者之一，拉夫堡的馬克格林納威博士說：“在石墨烯單層中同時(shí)觀察所有這些效應(yīng)真是太棒了。“正是由于石墨烯出色的電子特性，使我們能夠詳細(xì)研究這些不平衡的量子過程，并了解石墨烯中的電子如何在強(qiáng)電場(chǎng)加速下散射并失去能量。
“朗道速度是超導(dǎo)體和超流氦的量子特性。因此，在石墨烯的耗散諧振磁阻中檢測(cè)到類似的效應(yīng)特別令人興奮。”這些設(shè)備是在曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所制造的。負(fù)責(zé)設(shè)備設(shè)計(jì)和開發(fā)的 Piranavan Kumaravadivel 博士指出，“我們?cè)O(shè)備的大尺寸和高質(zhì)量是觀察這些現(xiàn)象的關(guān)鍵。
“我們的設(shè)備足夠大和足夠純，電子幾乎只與聲子和其他電子相互作用。 我們預(yù)計(jì)這些結(jié)果將激發(fā)對(duì)其他二維材料中非平衡現(xiàn)象的類似研究。“我們的測(cè)量還表明，高質(zhì)量的石墨烯層可以承載非常高的連續(xù)電流密度，接近超導(dǎo)體中可實(shí)現(xiàn)的電流密度 高純度石墨烯晶體管可以在納米級(jí)電力電子技術(shù)中找到未來的應(yīng)用。”
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
