Исследования графена открывают новые возможности для нанотехнологий

Группа исследователей показала, что звуковой удар и звуковые волны с доплеровским смещением могут быть созданы в графеновом транзисторе, что дало новое понимание этого всемирно известного материала и его потенциала для использования в электронных технологиях нанометрового масштаба.


Когда полицейская машина приближается к вам и проезжает мимо с ревом сирены, вы можете услышать отчетливое изменение частоты шума сирены. Это эффект Доплера. Когда скорость реактивного самолета превышает скорость звука (около 760 миль в час), давление, которое он оказывает на воздух, создает ударную волну, которую можно услышать как громкий сверхзвуковой удар или раскат грома; это эффект Маха.

Ученые из университетов Лафборо, Ноттингема, Манчестера, Ланкастера и Канзаса обнаружили, что квантово-механическая версия этих явлений происходит в электронном транзисторе, сделанном из графена высокой чистоты. Их новая публикация "Неравновесные фермионы графена", демонстрирующие смещенные по доплеровскому закону магнитофононные резонансы, сопровождающиеся сверхзвуковыми эффектами Маха и скоростными эффектами Ландау, была опубликована в Nature Communications.




Исследовательская группа использовала сильные электрические и магнитные поля для ускорения потока электронов в атомарно тонком монослое графена, состоящем из гексагональной решетки атомов углерода.

При достаточно высокой плотности тока, эквивалентной примерно 100 миллиардам ампер на квадратный метр, проходящим через единственный атомный слой углерода, поток электронов достигает скорости 14 километров в секунду (около 30000 миль в час) и начинает сотрясать атомы углерода, таким образом испускание квантованных пучков звуковой энергии, называемых акустическими фононами. Это фононное излучение обнаруживается как резонансное увеличение электрического сопротивления транзистора; в графене наблюдается сверхзвуковой удар.

Исследователи также наблюдали квантово-механический аналог эффекта Доплера при более низких токах, когда энергичные электроны прыгают между квантованными циклотронными орбитами и испускают акустические фононы с доплеровским сдвигом вверх или вниз своих частот, в зависимости от направления звука волны относительно скорости движущихся электронов.

Охладив свой графеновый транзистор до температуры жидкого гелия, команда обнаружила третье явление, в котором электроны взаимодействуют друг с другом через свой электрический заряд и совершают «бесфононные» прыжки между квантованными уровнями энергии с критической скоростью, так называемой скоростью Ландау.

Доктор Марк Гринуэй из Лафборо, один из авторов статьи, сказал: «Замечательно наблюдать все эти эффекты одновременно в монослое графена. Это связано с превосходными электронными свойствами графена, которые позволяют нам исследовать эти внешние эффекты. подробно описать равновесные квантовые процессы и понять, как электроны в графене, ускоренные сильным электрическим полем, рассеиваются и теряют свою энергию. Скорость Ландау является квантовым свойством сверхпроводников и сверхтекучего гелия. Поэтому было особенно интересно обнаружить подобный эффект в диссипативное резонансное магнитосопротивление графена».


Устройства были изготовлены в Национальном институте графена Манчестерского университета.

Доктор Пиранаван Кумаравадивел, руководивший проектированием и разработкой устройств, отмечает: «Большой размер и высокое качество наших устройств являются ключевыми для наблюдения этих явлений. Наши устройства достаточно большие и чистые, поэтому электроны взаимодействуют почти исключительно с фононами и другими электронами. Мы ожидаем что эти результаты вдохновят на аналогичные исследования неравновесных явлений в других 2D-материалах. Наши измерения также демонстрируют, что высококачественные графеновые слои могут выдерживать очень высокие плотности непрерывного тока, которые приближаются к тем, которые достигаются в сверхпроводниках. Графеновые транзисторы высокой чистоты могут найти применение в будущем в наноразмерные силовые электронные технологии ".