Fig. 1:Dependencia actual de las oscilaciones de magnetorresistencia en barras Hall monocapa de grafeno. una imagen de micrografía óptica de la barra Hall de grafeno (W = 15 μm) y un diagrama esquemático de la configuración de medición. b Gráficas de resistencia diferencial ry = dVy/dI en T = 5 K en función de B para corrientes CC, I, entre 0 (azul) y 140 μA (rojo) en intervalos de 14 μA, las curvas están compensadas por 0.7 Ω para mayor claridad . Los corchetes indican la aparición de magneto-oscilaciones de no equilibrio (NEMO) adicionales examinadas en detalle en las Figs. 2 y 3. Los corchetes etiquetados como SdH indican oscilaciones de Shubnikov-de Haas y los corchetes etiquetados como MF indican los picos de enfoque magnético. Crédito:DOI:10.1038/s41467-021-26663-4
Un equipo de investigadores ha revelado que en un transistor de grafeno se pueden crear ondas de sonido con estampido sónico y desplazamiento Doppler, lo que brinda nuevos conocimientos sobre este material de fama mundial y su potencial para su uso en tecnologías electrónicas a nanoescala.
Cuando un coche de policía acelera hacia usted y pasa con la sirena a todo volumen, puede oír un cambio claro en la frecuencia del sonido de la sirena. Este es el efecto Doppler. Cuando la velocidad de un avión a reacción excede la velocidad del sonido (alrededor de 760 mph), la presión que ejerce sobre el aire produce una onda de choque que puede escucharse como un fuerte estallido supersónico o un trueno; este es el efecto Mach.
Científicos de las universidades de Loughborough, Nottingham, Manchester, Lancaster y Kansas han descubierto que una versión mecánica cuántica de estos fenómenos ocurre en un transistor electrónico hecho de grafeno de alta pureza. Su nueva publicación, Los fermiones de no equilibrio del grafeno revelan resonancias de magnetofonón desplazadas por Doppler acompañadas de efectos de velocidad de Landau y supersónicos de Mach, se ha publicado hoy en Nature Communications. .
El grafeno es más de 100 veces más resistente que el acero, al mismo tiempo que es extremadamente ligero, más de 100 veces más conductor que el silicio y tiene la resistividad eléctrica a temperatura ambiente más baja de todos los materiales conocidos. Estas propiedades hacen que el grafeno sea muy adecuado para una variedad de aplicaciones, incluidos los recubrimientos para mejorar las pantallas táctiles de teléfonos y tabletas y para mejorar la velocidad de los circuitos electrónicos.
El equipo de investigación utilizó fuertes campos eléctricos y magnéticos para acelerar una corriente de electrones en una monocapa de grafeno atómicamente delgada compuesta por una red hexagonal de átomos de carbono.
A una densidad de corriente lo suficientemente alta, equivalente a alrededor de 100 mil millones de amperios por metro cuadrado que pasa a través de la capa atómica única de carbono, la corriente de electrones alcanza una velocidad de 14 kilómetros por segundo (alrededor de 30 000 mph) y comienza a sacudir los átomos de carbono, por lo que emitiendo haces cuantificados de energía sonora llamados fonones acústicos. Esta emisión de fonones se detecta como un aumento resonante de la resistencia eléctrica del transistor; Se observa un estampido supersónico en el grafeno.
Los investigadores también observaron un análogo mecánico cuántico del efecto Doppler en corrientes más bajas cuando los electrones energéticos saltan entre las órbitas cuantizadas del ciclotrón y emiten fonones acústicos con un cambio hacia arriba o hacia abajo similar al Doppler de sus frecuencias, dependiendo de la dirección del sonido. ondas en relación con la de los electrones veloces.
Al enfriar su transistor de grafeno a la temperatura del helio líquido, el equipo detectó un tercer fenómeno en el que los electrones interactúan entre sí a través de su carga eléctrica y realizan saltos "sin fono" entre niveles de energía cuantificados a una velocidad crítica, la llamada velocidad de Landau.
El Dr. Mark Greenway de Loughborough, uno de los autores del artículo, dijo:"Es fantástico observar todos estos efectos simultáneamente en una monocapa de grafeno. Se debe a las excelentes propiedades electrónicas del grafeno que nos permiten investigar estos efectos fuera de lo normal". los procesos cuánticos de equilibrio en detalle y comprender cómo los electrones en el grafeno, acelerados por un fuerte campo eléctrico, se dispersan y pierden su energía. La velocidad de Landau es una propiedad cuántica de los superconductores y el helio superfluido. Por lo tanto, fue particularmente emocionante detectar un efecto similar en el magnetorresistencia resonante disipativa del grafeno".
Los dispositivos fueron fabricados en el Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester.
El Dr. Piranavan Kumaravadivel, quien dirigió el diseño y desarrollo de dispositivos, señala que "el gran tamaño y la alta calidad de nuestros dispositivos son clave para observar estos fenómenos. Nuestros dispositivos son lo suficientemente grandes y puros como para que los electrones interactúen casi exclusivamente con fonones y otros electrones. Esperamos que estos resultados inspirarán estudios similares de fenómenos de no equilibrio en otros materiales 2D. Nuestras mediciones también demuestran que las capas de grafeno de alta calidad pueden transportar densidades de corriente continua muy altas que se acercan a las que se pueden lograr en los superconductores. Los transistores de grafeno de alta pureza podrían encontrar aplicaciones futuras en tecnologías electrónicas de potencia a nanoescala". Nuevo fenómeno cuántico ayuda a comprender los límites fundamentales de la electrónica del grafeno
