Fig. 1:Strömberoende av magnetoresistanssvängningar i enskiktsgrafen Hall bars. en optisk mikrofotografi av grafen Hall bar (W = 15 μm) och ett schematiskt diagram över mätkonfigurationen. b Plots av differentialresistans ry = dVy/dI vid T = 5 K som funktion av B för DC-strömmar, I, mellan 0 (blå) och 140 μA (röd) i 14 μA-intervall, kurvor är förskjutna med 0,7 . . Lockiga parenteser indikerar uppkomsten av ytterligare icke-jämviktsmagnetoscillationer (NEMO) som undersöks i detalj i Fig. 2 och 3. Hakparenteser märkta SdH indikerar Shubnikov–de Haas-svängningar och hakparenteser märkta MF indikerar de magnetiska fokuseringstopparna. Kredit:DOI:10.1038/s41467-021-26663-4
Ett team av forskare har avslöjat att ljudboom och Doppler-förskjutna ljudvågor kan skapas i en grafentransistor, vilket ger nya insikter om detta världsberömda material och dess potential för användning i nanoskala elektronisk teknik.
När en polisbil rusar mot dig och åker förbi med sin siren dårande kan du höra en tydlig förändring i frekvensen av sirenens ljud. Detta är Dopplereffekten. När ett jetflygplans hastighet överstiger ljudets hastighet (cirka 760 mph), producerar trycket det utövar på luften en stötvåg som kan höras som en hög överljudsbom eller åska; detta är Mach-effekten.
Forskare från universiteten i Loughborough, Nottingham, Manchester, Lancaster och Kansas har upptäckt att en kvantmekanisk version av dessa fenomen förekommer i en elektronisk transistor gjord av grafen med hög renhet. Deras nya publikation, Graphene's non-equilibrium fermions avslöjar Doppler-förskjutna magnetofononresonanser tillsammans med Mach-överljuds- och Landau-hastighetseffekter, har publicerats idag i Nature Communications .
Grafen är över 100 gånger starkare än stål samtidigt som det är extremt lätt, över 100 gånger mer ledande än kisel och har den lägsta elektriska resistiviteten vid rumstemperatur av alla kända material. Dessa egenskaper gör grafen väl lämpad för en rad applikationer, inklusive beläggningar för att förbättra pekskärmar i telefoner och surfplattor och för att öka hastigheten på elektroniska kretsar.
Forskargruppen använde starka elektriska och magnetiska fält för att accelerera en ström av elektroner i ett atomärt tunt grafenmonoskikt bestående av ett hexagonalt gitter av kolatomer.
Vid en tillräckligt hög strömtäthet, motsvarande cirka 100 miljarder ampere per kvadratmeter som passerar genom det enda atomskiktet av kol, når elektronströmmen en hastighet av 14 kilometer per sekund (cirka 30 000 mph) och börjar skaka kolatomerna, alltså sänder ut kvantiserade buntar av ljudenergi som kallas akustiska fononer. Denna fononemission detekteras som en resonansökning i transistorns elektriska resistans; en överljudsboom observeras i grafen.
Forskarna observerade också en kvantmekanisk analog av dopplereffekten vid lägre strömmar när energiska elektroner hoppar mellan kvantiserade cyklotronbanor och avger akustiska fononer med en dopplerliknande upp- eller nedförskjutning av deras frekvenser, beroende på ljudets riktning. vågor i förhållande till elektronernas hastighet.
Genom att kyla ner sin grafentransistor till flytande heliumtemperatur upptäckte teamet ett tredje fenomen där elektronerna interagerar med varandra genom sin elektriska laddning och gör "fononfria" hopp mellan kvantiserade energinivåer med en kritisk hastighet, den så kallade Landau-hastigheten.
Loughboroughs Dr. Mark Greenway, en av författarna till tidningen, sa:"Det är fantastiskt att observera alla dessa effekter samtidigt i ett grafenmonolager. Det är på grund av grafens utmärkta elektroniska egenskaper som gör att vi kan undersöka dessa utom- jämviktskvantprocesser i detalj och förstår hur elektroner i grafen, accelererade av ett starkt elektriskt fält, sprids och förlorar sin energi. Landau-hastigheten är en kvantegenskap hos supraledare och superfluid helium. Så det var särskilt spännande att upptäcka en liknande effekt i dissipativ resonansmagnetoresistans av grafen."
Enheterna tillverkades vid National Graphene Institute, University of Manchester.
Dr. Piranavan Kumaravadivel, som ledde anteckningar om enhetsdesign och utveckling, "den stora storleken och höga kvaliteten på våra enheter är nyckeln för att observera dessa fenomen. Våra enheter är tillräckligt stora och rena för att elektroner nästan uteslutande interagerar med fononer och andra elektroner. Vi förväntar oss att dessa resultat kommer att inspirera till liknande studier av icke-jämviktsfenomen i andra 2D-material. Våra mätningar visar också att högkvalitativa grafenlager kan bära mycket höga kontinuerliga strömtätheter som närmar sig de som kan uppnås i supraledare. Grafentransistorer med hög renhet kan hitta framtida tillämpningar i kraftelektronik i nanoskala." + Utforska vidare
