一组研究人员透露，可以在石墨烯晶体管中产生音爆和多普勒频移声波，为这种世界著名的材料及其在纳米电子技术中的应用潜力提供了新的见解。

当警车向您驶来并伴随着警笛声驶过时，您可以听到警笛声频率的明显变化。这就是多普勒效应。当喷气式飞机的速度超过音速（约 760 英里/小时）时，它施加在空气上的压力会产生冲击波，可以听到巨大的超音速或雷声；这就是马赫效应。

来自拉夫堡、诺丁汉、曼彻斯特、兰开斯特和堪萨斯大学的科学家们发现，这些现象的量子力学版本发生在由高纯度石墨烯制成的电子晶体管中。他们的新出版物石墨烯的非平衡费米子揭示了伴随马赫超音速和朗道速度效应的多普勒频移磁声子共振，已于今天发表在《自然通讯》上。

石墨烯的强度是钢的 100 多倍，同时非常轻，导电性是硅的 100 多倍，并且在所有已知材料中在室温下具有最低的电阻率。这些特性使石墨烯非常适合一系列应用，包括用于改善手机和平板电脑触摸屏以及提高电子电路速度的涂层。

该研究团队使用强电场和磁场来加速由六方碳原子晶格组成的原子级薄石墨烯单层中的电子流。

在足够高的电流密度下，相当于每平方米约 1000 亿安培通过单个碳原子层，电子流达到每秒 14 公里（约 30,000 英里/小时）的速度并开始摇动碳原子，因此发射量子化的声能束，称为声学声子。这种声子发射被检测为晶体管电阻的谐振增加；在石墨烯中观察到超音速爆 炸。

图 1：单层石墨烯霍尔棒中磁阻振荡的电流依赖性。a 石墨烯霍尔棒（W = 15 μm）的光学显微照片和测量配置的示意图。b 差分电阻 ry = dVy/dI 在 T = 5 K 时作为 B 的函数的图，直流电流 I，在 0（蓝色）和 140 μA（红色）之间，间隔 14 μA，为清晰起见，曲线偏移了 0.7 Ω . 花括号表示出现了额外的非平衡磁振荡 (NEMO)，在图 1 和图 2 中详细检查。2 和 3。标有 SdH 的方括号表示 Shubnikov-de Haas 振荡，标有 MF 的方括号表示磁聚焦峰值。信用：DOI：10.1038/s41467-021-26663-4

研究人员还观察到了低电流下多普勒效应的量子力学模拟，当高能电子在量子化回旋加速 器轨道之间跳跃并发射声子时，它们的频率会出现类似多普勒的上移或下移，具体取决于声音的方向波相对于超速电子。

通过将他们的石墨烯晶体管冷却到液氦温度，该团队检测到第三种现象，其中电子通过电荷相互作用，并以临界速度在量子能级之间进行“无声子”跳跃，即所谓的朗道速度。

该论文的作者之一，拉夫堡大学的 Mark Greenway 博士说，在石墨烯单层中同时观察到所有这些效应真是太棒了。这是由于石墨烯出色的电子特性使我们能够研究这些非-平衡量子过程的详细信息，并了解石墨烯中的电子如何在强电场的作用下发生散射和失去能量。朗道速度是超导体和超流氦的量子特性。因此，在石墨烯中检测到类似的效应特别令人兴奋。石墨烯的耗散谐振磁阻。

这些设备是在曼彻斯特大学国家石墨烯研究所制造的。

领导设备设计和开发的 Piranavan Kumaravadivel 博士指出，我们设备的大尺寸和高质量是观察这些现象的关键。我们的设备足够大和足够纯，电子几乎只与声子和其他电子相互作用。我们期望这些结果将激发对其他 2D 材料中非平衡现象的类似研究。我们的测量还表明，高质量的石墨烯层可以承载非常高的连续电流密度，接近超导体中可实现的电流密度。高纯度石墨烯晶体管可以在未来找到应用纳米级电力电子技术。