石墨烯研究為電子技術(shù)開辟了新的可能性

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)警車向您駛來(lái)并伴隨著警笛聲駛過(guò)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(guò)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)。

諾丁漢大學(xué)和拉夫堡大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、蘭開斯特大學(xué)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。他們的新出版物：“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”今天發(fā)表在《自然通訊》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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)電荷相互作用，并以臨界速度在量子能級(jí)之間進(jìn)行“無(wú)聲子”跳躍，即所謂的朗道速度。

該論文的作者之一、拉夫堡大學(xué)的 Mark Greenway 博士評(píng)論說(shuō)：“在石墨烯單層中同時(shí)觀察到所有這些效應(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(guò)程，并了解石墨烯中的電子如何在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生散射并失去能量。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)到類似的效果特別令人興奮。

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