Yliääniä ja suprajohtavuutta grafeenissa

Manchesterin yliopiston National Graphene Instituten (NGI) tutkijoista koostuva ryhmä on paljastanut, että grafeenitransistorissa voidaan luoda yliääniä ja Doppler-siirtyineitä ääniaaltoja. Ne antavat uusia näkemyksiä tästä edistyksellisestä materiaalista ja mahdollisuuksista käyttää sitä nanomittakaavan elektroniikkateknologioissa.

Suurempi kuva

Loughborough'n, Nottinghamin, Manchesterin, Lancasterin ja Kansasin (USA) yliopistojen tutkijat ovat havainneet, että näiden ilmiöiden kvanttimekaaninen versio esiintyy erittäin puhtaasta grafeenista valmistetussa transistorissa.

Heidän julkaisunsa: "Grafeenin epätasapainoiset fermionit paljastavat Doppler-siirtyneitä magnetofononiresonansseja, joihin liittyy Machin yliääni- ja Landau-nopeusvaikutuksia " julkaistiin Nature Communicationsissa.

Tutkimusryhmä käytti vahvoja sähkö- ja magneettikenttiä kiihdyttääkseen elektronivirtaa atominohuessa grafeenikerroksessa. Virrantiheydellä, joka vastaa noin 100 miljardia ampeeria neliömetriä kohti, joka kulkee yhden hiiliatomikerroksen läpi, elektronivirta saavuttaa nopeuden 14 kilometriä sekunnissa (noin 30 400 km/h) ja alkaa ravistaa hiiliatomeja, jolloin ne emittoivat kvantisoituja äänienergianippuja, joita kutsutaan akustisiksi fononeiksi. Tämä fononiemissio havaitaan transistorin resonanssin kasvuna sähköisessä resistanssissa; grafeenissa havaitaan yliääni-isku!

Tutkijat havaitsivat myös Doppler-ilmiön kvanttimekaanisen analogin alemmilla virroilla, kun energiset elektronit hyppäävät kvantisoitujen syklotroniratojen välillä ja emittoivat akustisia fononeja Doppler-tyyppisesti ylös- tai alassiirtymineen taajuuksissaan, riippuen äänen suunnasta, joissa aallot ovat suhteessa kiihtyviin elektroneihin.

Jäähdyttämällä grafeenitransistorinsa nestemäisen heliumin lämpötilaan, tiimi havaitsi kolmannen ilmiön, jossa elektronit ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa sähkövarauksensa kautta ja tekevät "fononittomia" hyppyjä kvantisoitujen energiatasojen välillä kriittisellä nopeudella, niin kutsutulla Landau-nopeudella.

Koerakenteet valmistettiin NGI:ssä Manchesterissa ja tutkijoiden mukaan ne olivat riittävän suuria ja puhtaita, jotta elektronit ovat vuorovaikutuksessa lähes yksinomaan fononien ja muiden elektronien kanssa. Odotamme näiden tulosten inspiroivan samanlaisia tutkimuksia epätasapainoilmiöistä muissa 2D-materiaaleissa.

"Mittauksemme osoittavat myös, että korkealaatuiset grafeenikerrokset voivat kantaa erittäin korkeita jatkuvia virrantiheyksiä, jotka ovat lähellä suprajohtimissa saavutettavia. Erittäin puhtaat grafeenitransistorit voisivat löytää tulevaisuuden sovelluksia nanomittakaavan tehoelektroniikan parissa.

Aiheesta aiemmin:

Grafeeni ja terahertsit

Grafeenia kolmiulotteisiin muotoihin