Fig. 1:Dipendenza dalla corrente delle oscillazioni della magnetoresistenza nelle barre Hall di grafene monostrato. un'immagine al microscopio ottico della barra di Hall in grafene (W = 15 μm) e un diagramma schematico della configurazione di misurazione. b Grafici della resistenza differenziale ry = dVy/dI a T = 5 K in funzione di B per correnti CC, I, tra 0 (blu) e 140 μA (rosso) a intervalli di 14 μA, le curve sono sfalsate di 0,7 Ω per chiarezza . Le parentesi graffe indicano l'emergere di ulteriori magneto-oscillazioni di non equilibrio (NEMO) esaminate in dettaglio nelle Figg. 2 e 3. Le parentesi quadre etichettate SdH indicano le oscillazioni di Shubnikov–de Haas e le parentesi quadre etichettate MF indicano i picchi di focalizzazione magnetica. Credito:DOI:10.1038/s41467-021-26663-4
Un team di ricercatori ha rivelato che il boom sonico e le onde sonore spostate Doppler possono essere create in un transistor al grafene, fornendo nuove informazioni su questo materiale famoso in tutto il mondo e sul suo potenziale per l'uso nelle tecnologie elettroniche su scala nanometrica.
Quando un'auto della polizia ti viene incontro e passa con la sua sirena a tutto volume, puoi sentire un netto cambiamento nella frequenza del rumore della sirena. Questo è l'effetto Doppler. Quando la velocità di un aereo a reazione supera la velocità del suono (circa 760 mph), la pressione che esercita sull'aria produce un'onda d'urto che può essere ascoltata come un forte boom supersonico o un tuono; questo è l'effetto Mach.
Scienziati delle università di Loughborough, Nottingham, Manchester, Lancaster e Kansas hanno scoperto che una versione quantomeccanica di questi fenomeni si verifica in un transistor elettronico realizzato con grafene ad alta purezza. La loro nuova pubblicazione, I fermioni di non equilibrio del grafene, rivelano risonanze del magnetofonone con spostamento Doppler accompagnate da effetti di velocità supersonica di Mach e Landau, è stata pubblicata oggi su Nature Communications .
Il grafene è oltre 100 volte più resistente dell'acciaio pur essendo estremamente leggero, oltre 100 volte più conduttivo del silicio e ha la più bassa resistività elettrica a temperatura ambiente di tutti i materiali conosciuti. Queste proprietà rendono il grafene adatto per una vasta gamma di applicazioni, compresi i rivestimenti per migliorare i touch screen di telefoni e tablet e per aumentare la velocità dei circuiti elettronici.
Il team di ricerca ha utilizzato forti campi elettrici e magnetici per accelerare un flusso di elettroni in un monostrato di grafene atomicamente sottile composto da un reticolo esagonale di atomi di carbonio.
Ad una densità di corrente sufficientemente elevata, equivalente a circa 100 miliardi di ampere per metro quadrato che passano attraverso il singolo strato atomico di carbonio, il flusso di elettroni raggiunge una velocità di 14 chilometri al secondo (circa 30.000 mph) e inizia a scuotere gli atomi di carbonio, così emettendo fasci quantizzati di energia sonora chiamati fononi acustici. Questa emissione di fononi viene rilevata come un aumento risonante della resistenza elettrica del transistor; un boom supersonico si osserva nel grafene.
I ricercatori hanno anche osservato un analogo quantomeccanico dell'effetto Doppler a correnti più basse quando gli elettroni energetici saltano tra orbite di ciclotrone quantizzate ed emettono fononi acustici con uno spostamento verso l'alto o verso il basso simile al Doppler delle loro frequenze, a seconda della direzione del suono onde rispetto a quella degli elettroni in velocità.
Raffreddando il transistor al grafene alla temperatura dell'elio liquido, il team ha rilevato un terzo fenomeno in cui gli elettroni interagiscono tra loro attraverso la loro carica elettrica e fanno salti "senza fononi" tra livelli di energia quantizzati a una velocità critica, la cosiddetta velocità di Landau.
Il dottor Mark Greenway di Loughborough, uno degli autori dell'articolo, ha dichiarato:"È fantastico osservare tutti questi effetti contemporaneamente in un monostrato di grafene. È dovuto alle eccellenti proprietà elettroniche del grafene che ci consentono di indagare su questi effetti equilibrare i processi quantistici in dettaglio e capire come gli elettroni nel grafene, accelerati da un forte campo elettrico, si disperdono e perdono la loro energia. La velocità di Landau è una proprietà quantistica dei superconduttori e dell'elio superfluido. Quindi è stato particolarmente emozionante rilevare un effetto simile nel magnetoresistenza dissipativa risonante del grafene."
I dispositivi sono stati fabbricati presso il National Graphene Institute, Università di Manchester.
Il dottor Piranavan Kumaravadivel, che ha guidato le note di progettazione e sviluppo dei dispositivi, "le grandi dimensioni e l'elevata qualità dei nostri dispositivi sono fondamentali per osservare questi fenomeni. I nostri dispositivi sono sufficientemente grandi e puri che gli elettroni interagiscono quasi esclusivamente con i fononi e altri elettroni. Ci aspettiamo che questi risultati ispireranno studi simili sui fenomeni di non equilibrio in altri materiali 2D.Le nostre misurazioni dimostrano anche che strati di grafene di alta qualità possono trasportare densità di corrente continua molto elevate che si avvicinano a quelle ottenibili nei superconduttori.I transistor di grafene ad alta purezza potrebbero trovare applicazioni future in tecnologie elettroniche di potenza su scala nanometrica". + Esplora ulteriormente
