Grafen brugt som frekvensmixer i ny forskning

En professor, en postdoktor og en kandidatstuderende hopper på en trampolin.

Ingen, det er ikke indledningen til en joke. Det er et setup til forklaringen af ​​ny Cornell-ledet forskning, der involverer vidundermaterialet grafen. En gruppe ledet af Roberto De Alba, kandidatstuderende i fysik, og Jeevak Parpia, professor og afdelingsformand i fysik, har udgivet et papir i Natur nanoteknologi om endnu en applikation til den alsidige, super stærk, superlet materiale.

Deres papir, "Afstembar phonon-hulrumskobling i grafenmembraner, "blev offentliggjort den 13. juni og beskriver evnen til at bruge grafens spænding som en slags formidler mellem vibrationstilstande, muliggør direkte energioverførsel fra en frekvens til en anden. De Alba var hovedforfatter.

Nu, tilbage til trampolinen. Lad os fastslå, at professoren hopper langsomt, postdoc'en i et medium tempo og den færdiguddannede studerende i et hurtigt tempo. De repræsenterer trampolinens naturlige tilstande, som repræsenterer grafen.

Hvis professoren starter sit langsomme spring først, efterfulgt af den færdiguddannede studerende i et meget hurtigere tempo, postdocen – i kraft af det spring, der allerede er i gang – tvinges til at springe, efter hans egen takst. Hvad mere er, professorens spring bliver meget højere, end de var i starten, da energi overføres til ham fra de hurtigere springere. Dette scenarie vil faktisk ikke udspille sig i din baghave, men det foregår i grafen på grund af dets høje "elastiske modul" - en materialegenskab, der betyder, at eventuelle vibrationer vil forårsage store ændringer i membranens spænding.

Ved at anvende dette koncept, gruppen fremstillede grafen "trommer" med diametre fra 5 til 20 mikrometer (1 million mikrometer =1 meter). Disse tromler kan sættes i bevægelse enten af ​​et vekslende elektrisk felt eller af de tilfældige termiske vibrationer af deres konstituerende atomer (de samme atomare vibrationer, som definerer et objekts temperatur); bevægelsen detekteres gennem laserinterferometri, en metode, der blev udtænkt for flere år siden hos Cornell i Harold Craigheads gruppe. Craighead er professor i ingeniørvidenskab ved Charles W. Lake Jr. og en samarbejdspartner på dette arbejde.

Ekstern spænding påført grafenmembranen fungerer som en slags "tuning peg" til at kontrollere membranspændingen og konstruere den nødvendige kobling til at styre den ene oscillationstilstand ved at excitere den anden.

"Vi har vist, at der er en effekt, der vil konvertere energi fra en mekanisk tilstand til en anden mekanisk tilstand, " sagde De Alba. "Det giver os mulighed for enten at dæmpe eller forstærke vibrationer i en tilstand ved at aktivere den anden tilstand."

"Du er i stand til at ændre den grundlæggende frekvens af dette objekts bevægelse ... i det væsentlige dets termiske bevægelse, ved blot at påføre spænding, " sagde Parpia.

Udtrykket "fononhulrum" blev valgt, De Alba sagde, fordi den mekaniske effekt ligner den af ​​et optisk hulrum, som kan bruges til at omdanne energi fra laserlys til mekanisk bevægelse. Fononer er kvasipartikler, der bruges til at beskrive vibrationer på samme måde, som fotoner er lyspartikler.

Denne opdagelse baner vejen for anvendelsen af ​​grafemekaniske resonatorer i telekommunikationsapplikationer - f.eks. som frekvensblandere.

"Og fordi grafen kun er et enkelt atom tykt, den har så lav en masse, at den er en meget god kraftsensor, gassensor eller tryksensor, "De Alba sagde. "Det kunne bruges i forskningslaboratorier til at studere ultra-svage kræfter."

Ud over, når den er afkølet til nær det absolutte nul, disse resonatorer kan spille en central rolle i detekteringen af ​​de svageste kvantesignaler og til at identificere og udvikle nye, sikre telekommunikationsteknologier.