Nyt kvantefænomen hjælper med at forstå grundlæggende grænser for grafenelektronik

Et team af forskere fra universiteterne i Manchester, Nottingham og Loughborough har opdaget et kvantefænomen, der hjælper med at forstå grafenelektronikkens grundlæggende grænser.

Udgivet i Naturkommunikation , værket beskriver, hvordan elektroner i et enkelt atomisk tyndt ark grafen spreder de vibrerende kulstofatomer, som udgør det sekskantede krystalgitter.

Ved at påføre et magnetfelt vinkelret på grafenplanet, de strømførende elektroner tvinges til at bevæge sig i lukkede cirkulære "cyklotron"-baner. I ren grafen, den eneste måde, hvorpå en elektron kan undslippe dette kredsløb, er ved at hoppe af en "fonon" i en spredningsbegivenhed. Disse fononer er partikellignende bundter af energi og momentum og er "kvanta" af lydbølgerne forbundet med det vibrerende kulstofatom. Fononerne genereres i stigende antal, når grafenkrystallen varmes op fra meget lave temperaturer.

Ved at føre en lille elektrisk strøm gennem grafenarket, holdet var i stand til præcist at måle mængden af ​​energi og momentum, der overføres mellem en elektron og en fonon under en spredningsbegivenhed.

Deres eksperiment afslørede, at to typer fonon spreder elektronerne:tværgående akustiske (TA) fononer, hvor carbonatomerne vibrerer vinkelret på fononudbredelsesretningen og bølgebevægelsen (noget analogt med overfladebølger på vand) og langsgående akustiske (LA) fononer hvor kulstofatomerne vibrerer frem og tilbage langs fononens retning og bølgebevægelsen; (denne bevægelse er noget analog med lydbølgernes bevægelse gennem luften).

Målingerne giver et meget nøjagtigt mål for hastigheden af ​​begge typer fononer, en måling, som ellers er svær at foretage for et enkelt atomlag. Et vigtigt resultat af eksperimenterne er opdagelsen af, at TA fononspredning dominerer over LA fononspredning.

Det observerede fænomen, almindeligvis omtalt som magnetophononoscillation, blev målt i mange halvledere år før opdagelsen af ​​grafen. Det er et af de ældste kvantetransportfænomener, der har været kendt i mere end 50 år, forud for kvante Hall-effekten. Hvorimod grafen besidder en række nye, eksotiske elektroniske egenskaber, dette ret fundamentale fænomen er forblevet skjult.

Laurence Eaves og Roshan Krishna Kumar, medforfattere af værket sagde:"Vi var glædeligt overrasket over at finde sådanne fremtrædende magnetophonon-oscillationer, der dukkede op i grafen. Vi undrede os også over, hvorfor folk ikke havde set dem før, i betragtning af den omfattende mængde litteratur om kvantetransport i grafen."

Deres udseende kræver to nøgleingredienser. Først, holdet skulle fremstille grafentransistorer af høj kvalitet med store arealer på National Graphene Institute. Hvis enhedens dimensioner er mindre end nogle få mikrometer, kunne fænomenerne ikke observeres.

Piranavan Kumaravadivel fra University of Manchester, hovedforfatter af papiret sagde:"I begyndelsen af ​​kvantetransporteksperimenter, folk plejede at studere makroskopiske, millimeterstore krystaller. I det meste af arbejdet med kvantetransport på grafen, de undersøgte enheder er typisk kun nogle få mikrometer store. Det ser ud til, at det at lave større grafenenheder ikke kun er vigtigt for applikationer, men nu også for grundlæggende undersøgelser."

Den anden ingrediens er temperatur. De fleste grafenkvantetransporteksperimenter udføres ved ultrakolde temperaturer for at bremse de vibrerende kulstofatomer og "fryse ud" de fononer, der normalt bryder kvantekohærens. Derfor, grafenen varmes op, da fononerne skal være aktive for at forårsage effekten.

Mark Greenaway, fra Loughborough University, der arbejdede på kvanteteorien om denne effekt, sagde, "Dette resultat er ekstremt spændende - det åbner en ny vej til at undersøge egenskaberne af fononer i todimensionelle krystaller og deres heterostrukturer. Dette vil give os mulighed for bedre at forstå elektron-fonon-interaktioner i disse lovende materialer, forståelse, som er afgørende for at udvikle dem til brug i nye enheder og applikationer."