Grafenforskning afslører nye muligheder for elektroniske teknologier

Et team af forskere har afsløret, at lydbølger og Doppler-forskudte lydbølger kan skabes i en grafentransistor, hvilket giver ny indsigt i dette verdensberømte materiale og dets potentiale til brug i elektroniske teknologier i nanoskala.

Når en politibil suser mod dig og kører forbi med sin sirene, kan du høre en tydelig ændring i frekvensen af ​​sirenens støj. Dette er Doppler-effekten. Når et jetflys hastighed overstiger lydens hastighed (ca. 760 mph), frembringer det tryk, det udøver på luften, en chokbølge, der kan høres som et højt supersonisk bom eller tordenskrald; dette er Mach-effekten.

Forskere fra Loughborough, Nottingham, Manchester, Lancaster og Kansas universiteter har opdaget, at en kvantemekanisk version af disse fænomener forekommer i en elektronisk transistor lavet af grafen med høj renhed. Deres nye publikation, Graphenes ikke-ligevægtsfermioner afslører Doppler-forskudte magnetophononresonanser ledsaget af Mach-supersoniske og Landau-hastighedseffekter, er blevet offentliggjort i dag i Nature Communications .

Grafen er over 100 gange stærkere end stål, samtidig med at det er ekstremt let, over 100 gange mere ledende end silicium og har den laveste elektriske resistivitet ved stuetemperatur af alle kendte materialer. Disse egenskaber gør grafen velegnet til en række anvendelser, herunder belægninger for at forbedre berøringsskærme i telefoner og tablets og for at øge hastigheden af ​​elektroniske kredsløb.

Forskerholdet brugte stærke elektriske og magnetiske felter til at accelerere en strøm af elektroner i et atomisk tyndt grafen-monolag bestående af et sekskantet gitter af kulstofatomer.

Ved en tilstrækkelig høj strømtæthed, svarende til omkring 100 milliarder ampere pr. kvadratmeter, der passerer gennem det enkelte atomlag af kulstof, når elektronstrømmen en hastighed på 14 kilometer i sekundet (omkring 30.000 mph) og begynder at ryste kulstofatomerne, således udsender kvantiserede bundter af lydenergi kaldet akustiske fononer. Denne fononemission detekteres som en resonansstigning i transistorens elektriske modstand; der observeres et supersonisk boom i grafen.

Forskerne observerede også en kvantemekanisk analog af Doppler-effekten ved lavere strømme, når energiske elektroner hopper mellem kvantiserede cyklotronbaner og udsender akustiske fononer med en Doppler-lignende op- eller nedskiftning af deres frekvenser, afhængigt af retningen af ​​lyden bølger i forhold til elektronernes fart.

Ved at afkøle deres grafentransistor til flydende heliumtemperatur opdagede holdet et tredje fænomen, hvor elektronerne interagerer med hinanden gennem deres elektriske ladning og laver "fononløse" hop mellem kvantiserede energiniveauer med en kritisk hastighed, den såkaldte Landau-hastighed.

Loughboroughs Dr. Mark Greenway, en af ​​forfatterne af papiret, sagde:"Det er fantastisk at observere alle disse effekter samtidigt i et grafen-monolag. Det er på grund af grafens fremragende elektroniske egenskaber, der gør det muligt for os at undersøge disse out-of- ligevægtskvanteprocesser i detaljer og forstår, hvordan elektroner i grafen, accelereret af et stærkt elektrisk felt, spredes og mister deres energi. Landau-hastigheden er en kvanteegenskab for superledere og superfluid helium. Så det var særligt spændende at opdage en lignende effekt i dissipativ resonansmagnetoresistens af grafen."

Enhederne blev fremstillet på National Graphene Institute, University of Manchester.

Dr. Piranavan Kumaravadivel, der ledede enhedsdesign og -udvikling noterer, "den store størrelse og høje kvalitet af vores enheder er nøglen til at observere disse fænomener. Vores enheder er tilstrækkelig store og rene til, at elektroner næsten udelukkende interagerer med fononer og andre elektroner. Vi forventer at disse resultater vil inspirere til lignende undersøgelser af ikke-ligevægtsfænomener i andre 2D-materialer. Vores målinger viser også, at grafenlag af høj kvalitet kan bære meget høje kontinuerlige strømtætheder, som nærmer sig dem, der kan opnås i superledere. Grafentransistorer med høj renhed kan finde fremtidige anvendelser i nanoskala kraftelektroniske teknologier." + Udforsk yderligere

Nyt kvantefænomen hjælper med at forstå grundlæggende grænser for grafenelektronik