一組研究人員透露，可以在石墨烯晶體管中產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中的應用潛力提供了新的見解。
當警車向您疾速駛來并伴隨著警笛聲經過時，您可以聽到警笛聲頻率的明顯變化。這就是多普勒效應。當噴氣式飛機的速度超過音速（約760英里/小時）時，它施加在空氣上的壓力會產生沖擊波，可以聽到巨大的超音速或雷聲； 這就是馬赫效應。
來自拉夫堡、諾丁漢、曼徹斯特、蘭開斯特和堪薩斯大學的科學家們發現，這些現象的量子力學版本發生在由高純度石墨烯制成的電子晶體管中。
他們的新研究成果---石墨烯的非平衡費米子揭示了伴隨馬赫超音速和朗道速度效應的多普勒頻移磁聲子共振，已于今天發表在《Nature Communications》上。
石墨烯經常被稱為“神奇”材料。它的強度是鋼的100多倍，同時非常輕，導電性是硅的 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用，包括用于改善手機和平板電腦觸摸屏以及提高電子電路速度的涂層。該研究團隊使用強電場和磁場來加速由六方碳原子晶格組成的原子級薄石墨烯單層中的電子流。
在足夠高的電流密度下，相當于每平方米約 1000 億安培通過單個碳原子層，電子流達到每秒 14 公里（約 30,000 英里/小時）的速度并開始搖動碳原子，因此發射量子化的聲能束，稱為聲學聲子。這種聲子發射被檢測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的量子力學模擬，當高能電子在量子化回旋加速器軌道之間跳躍并發射聲子時，它們的頻率會出現類似多普勒的上移或下移，具體取決于聲音的方向相對于高速電子的波。通過將他們的石墨烯晶體管冷卻到液氦溫度，該團隊檢測到第三種現象，其中電子通過電荷相互作用，并以臨界速度在量子能級之間進行“無聲子”跳躍，即所謂的朗道速度。
該論文的作者之一，拉夫堡的馬克格林納威博士說：“在石墨烯單層中同時觀察所有這些效應真是太棒了。“正是由于石墨烯出色的電子特性，使我們能夠詳細研究這些不平衡的量子過程，并了解石墨烯中的電子如何在強電場加速下散射并失去能量。
“朗道速度是超導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到類似的效應特別令人興奮。”這些設備是在曼徹斯特大學國家石墨烯研究所制造的。負責設備設計和開發的 Piranavan Kumaravadivel 博士指出，“我們設備的大尺寸和高質量是觀察這些現象的關鍵。
“我們的設備足夠大和足夠純，電子幾乎只與聲子和其他電子相互作用。 我們預計這些結果將激發對其他二維材料中非平衡現象的類似研究。“我們的測量還表明，高質量的石墨烯層可以承載非常高的連續電流密度，接近超導體中可實現的電流密度 高純度石墨烯晶體管可以在納米級電力電子技術中找到未來的應用。”
摘自《The Graphene Council》網站
