Comprendre les phénomènes de non-équilibre pour les contrôler efficacement est un défi exceptionnel en science et en ingénierie. Dans une étude récente, Trond. I. Andersen et ses collègues des départements de physique, chimie, science et ingénierie des matériaux aux USA, Le Japon et le Canada ont utilisé l'électricité pour entraîner des dispositifs de graphène ultrapropre hors d'équilibre et observer l'instabilité manifestée sous forme de fluctuations de courant accrues et de conductivité supprimée aux fréquences micro-ondes.

En utilisant le montage expérimental, ils ont découvert que le courant continu à des vitesses de dérive élevées générait une forte augmentation du bruit aux fréquences gigahertz et que le bruit augmentait de façon exponentielle dans la direction du courant. Andersen et ses collègues ont crédité le mécanisme d'émission observé, à l'amplification des phonons acoustiques par l'effet Cerenkov (une lueur bleue caractéristique résultant du passage de particules chargées à travers un isolant à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce milieu) et ont maintenant publié les résultats sur Science .

Les scientifiques ont cartographié spatialement les fluctuations de courant hors d'équilibre à l'aide de capteurs de champ magnétique à l'échelle nanométrique pour révéler qu'elles augmentaient de manière exponentielle le long de la direction du flux de porteurs. Andersen et al. crédité la dépendance observée du phénomène sur la densité et la température, à l'instabilité de Cerenkov électron-phonon à des vitesses de dérive supersonique. Les vitesses de dérive supersonique se sont produites lorsque la population de certains phonons a augmenté avec le temps en raison de l'émission forcée de Cerenkov, lorsque la vitesse de dérive de la conduction électronique était supérieure à la vitesse du son (V ré > V S ) dans le milieu. Les résultats expérimentaux peuvent offrir la possibilité de générer des fréquences térahertz accordables et de construire des dispositifs phononiques actifs sur des matériaux bidimensionnels.

Les phénomènes de non-équilibre entraînés dans les systèmes électroniques et optiques affichent une dynamique riche, qui peuvent être exploités pour des applications telles que les diodes Gunn et les lasers. Matériaux bidimensionnels tels que le graphène, sont une nouvelle plate-forme de plus en plus populaire pour explorer de tels phénomènes. Par exemple, les dispositifs modernes de graphène ultrapropre présentent des mobilités élevées et peuvent être entraînés à des vitesses électroniques élevées avec des instabilités prédites pour inclure des instabilités hydrodynamiques dans les fluides électroniques et des instabilités Dyakonov-Shur où les électrons entraînés peuvent amplifier les plasmons.

L'étude des propriétés électroniques du graphène dans des conditions extrêmes de non-équilibre fournit donc un banc d'essai productif pour évaluer et surveiller les phénomènes de transport exotiques. En plus de l'utilisation de la génération de signaux à haute fréquence, Andersen et al. ont étudié la dynamique sous-jacente de non-équilibre pendant le transport d'électrons dans des dispositifs de graphène ultrapropres contenant une vitesse de dérive d'électrons extrêmement élevée. La compréhension de la dynamique hors d'équilibre est vitale pour de nombreuses applications techniques du graphène; y compris les transistors à haute fréquence, des sources lumineuses à incandescence ultrarapides et des interconnexions de transport flexibles. Cependant, il est difficile de se rendre compte des stabilités électroniques en pratique, en raison de l'augmentation de la diffusion des phonons à des vitesses de dérive élevées.

En principe, alors que la perte de diffusion des phonons est généralement irréversible, les phonons à longue durée de vie peuvent agir comme une source dominante d'instabilité au sein du dispositif expérimental. Lorsque la vitesse de dérive électronique (V ré ) dépasse la vitesse du son (V S ), l'émission de phonons devient supérieure à l'absorption de phonons, résultant en une croissance exponentielle de la population de phonons, connu sous le nom d'amplification phonon Cerenkov. Le phénomène a longtemps été exploré en théorie comme une technique pour produire des ondes acoustiques à haute fréquence, avec des preuves expérimentales d'accompagnement dans les systèmes en vrac et les super-réseaux semi-conducteurs obtenus à l'aide de mesures acoustiques et optiques par la suite.

Dans le travail present, Andersen et al. utilisé des dispositifs de graphène à déclenchement électrique fabriqués sur des substrats de diamant et de silicium/dioxyde de silicium, encapsulé dans du nitrure de bore hexagonal (hBN) à des températures cryogéniques (T=10 à 80 K) pour mener les expériences proposées. La configuration expérimentale a fourni des propriétés de transport à faible biais pour le système de graphène ultrapropre avec une mobilité allant de 20 à 40 m ² /V.s à une densité de porteurs (2 x 10 ¹² cm ^-2 ), correspondant à un transport quasi balistique. En raison d'une grande mobilité, les porteurs pourraient être accélérés par un champ électrique à des vitesses de dérive élevées pour observer une réponse de courant non linéaire, tandis qu'un dispositif désordonné a montré au contraire un comportement ohmique linéaire.

Pour étudier le comportement hors d'équilibre, premier, Andersen et al. mesuré le bruit global dans le courant source-drain avec un analyseur de spectre, en faisant varier la puissance de polarisation appliquée ( P ). Les résultats ont indiqué une nouvelle source de bruit dans les dispositifs en graphène avec un faible désordre, encapsulé dans hBN. Pour mieux comprendre l'anomalie observée, les scientifiques ont effectué des mesures de bruit résolues spatialement en construisant des dispositifs de graphène sur des substrats de diamant avec des impuretés de centre de couleur à faible profondeur d'azote de 40 à 60 nm de profondeur. Ils ont mesuré les qubits de spin de type atomique à l'aide de la microscopie confocale et ont sondé le bruit du courant à l'échelle nanométrique en mesurant les champs magnétiques résultants.

Andersen et al. ont sondé la dépendance spatiale du bruit anormal en observant optiquement des centres NV uniques le long du dispositif pour mesurer leur taux de relaxation de spin. Le bruit présentait une symétrie claire avec la direction du courant, un résultat inattendu puisque les propriétés globales de bruit et de transport sont indépendantes de la direction du courant. Puis en utilisant la porte de l'appareil, Andersen et al. ont démontré que le signal de bruit local dépendait de la direction d'écoulement de la quantité de mouvement et non de la charge. The scientists also showed that the noise was small at the carrier entry point but grew exponentially as the carrier flowed across the 17-µm long device.

The scientists consistently explained all observations using the electro-phonon Cerenkov instability. As a key insight of the study, Andersen et al. showed that when the electronic drift velocity exceeded the speed of sound (supersonic drift velocity), the forward-moving acoustic phonons experienced a faster rate of simulated emission than absorption. Pristine graphene also exhibited long acoustic phonon lifetimes; donc, an emitted phonon could stimulate the emission of exponential growth in the setup.

When they modelled these effects mathematically, the results agreed well with experimental outcomes, while the anomalous noise further increased with increasing device length. The model predicted that the observed electron-phonon instability would give rise to a conductivity spectrum. The scientists continued to explore the nonequilibrium dynamics using models of the electron-phonon system.

Since the Cerenkov amplification is sensitive to the phonon lifetime, the scientists expected the effects to intensify at lower temperatures due to slower anharmonic decay. Cependant, as Andersen et al. reduced the temperature from 300 to 10 K, they observed a strong increase in noise – in clear contrast to the decreasing thermal noise observed at low drives (vD≲vs), suggesting that the amplification process was limited by scattering with thermally occupied modes.

De cette façon, Andersen et al. extensively detailed how nonequilibrium dynamics stemming from electron-phonon instability could be demonstrated in a 2D material. Dans les expériences, the driven electron-phonon system showed rich nonequilibrium dynamics that merit further investigations using new techniques to directly characterize the phonon spectrum and gain further insights. Previous theoretical studies had predicted amplified phonons in graphene with frequencies as high as 10 THz, substantially higher than those in several other materials.

The experimental system can offer pure electrical generation and phonon amplification in a single micrometer-scale device with wide frequency tunability. Andersen et al. envision applications that will explore coupling to a mechanical cavity to develop a phonon laser, and outcoupling of the amplified sound waves to far-field terahertz radiation for medical imaging and security screening imaging (due to the degree of imaging transparency offered), wireless communications, quality control and process monitoring in manufacturing applications. The results by Andersen et al. represent a promising step towards the development of new-generation active phononic and photonic devices for multidisciplinary applications in future work.

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