Une équipe de chercheurs a révélé qu'un bang sonique et des ondes sonores à décalage Doppler peuvent être créés dans un transistor en graphène, donnant de nouvelles informations sur ce matériau de renommée mondiale et son potentiel d'utilisation dans les technologies électroniques à l'échelle nanométrique.

Lorsqu'une voiture de police accélère vers vous et passe avec sa sirène hurlante, vous pouvez entendre un changement distinct dans la fréquence du bruit de la sirène. C'est l'effet Doppler. Lorsque la vitesse d'un avion à réaction dépasse la vitesse du son (environ 760 mph), la pression qu'il exerce sur l'air produit une onde de choc qui peut être entendue comme un fort boom supersonique ou un coup de tonnerre; c'est l'effet Mach.

Des scientifiques des universités de Loughborough, Nottingham, Manchester, Lancaster et Kansas ont découvert qu'une version mécanique quantique de ces phénomènes se produit dans un transistor électronique fabriqué à partir de graphène de haute pureté. Leur nouvelle publication, Les fermions hors équilibre de Graphene révèlent des résonances de magnétophonons décalées par Doppler accompagnées d'effets supersoniques de Mach et de vitesse de Landau, a été publiée aujourd'hui dans Nature Communications .

Le graphène est plus de 100 fois plus résistant que l'acier tout en étant extrêmement léger, plus de 100 fois plus conducteur que le silicium et a la plus faible résistivité électrique à température ambiante de tous les matériaux connus. Ces propriétés rendent le graphène bien adapté à une gamme d'applications, y compris les revêtements pour améliorer les écrans tactiles des téléphones et des tablettes et pour augmenter la vitesse des circuits électroniques.

L'équipe de recherche a utilisé des champs électriques et magnétiques puissants pour accélérer un flux d'électrons dans une monocouche de graphène atomiquement mince composée d'un réseau hexagonal d'atomes de carbone.

À une densité de courant suffisamment élevée, équivalente à environ 100 milliards d'ampères par mètre carré traversant la couche atomique unique de carbone, le flux d'électrons atteint une vitesse de 14 kilomètres par seconde (environ 30 000 mph) et commence à secouer les atomes de carbone, ainsi émettant des faisceaux quantifiés d'énergie sonore appelés phonons acoustiques. Cette émission de phonons est détectée comme une augmentation résonnante de la résistance électrique du transistor; un boom supersonique est observé dans le graphène.

Les chercheurs ont également observé un analogue mécanique quantique de l'effet Doppler à des courants plus faibles lorsque des électrons énergétiques sautent entre des orbites de cyclotron quantifiées et émettent des phonons acoustiques avec un décalage vers le haut ou vers le bas de type Doppler de leurs fréquences, selon la direction du son. ondes par rapport à celle des électrons en vitesse.

En refroidissant leur transistor au graphène à la température de l'hélium liquide, l'équipe a détecté un troisième phénomène dans lequel les électrons interagissent les uns avec les autres par leur charge électrique et effectuent des sauts "sans phonon" entre des niveaux d'énergie quantifiés à une vitesse critique, la vitesse dite de Landau.

Le Dr Mark Greenway de Loughborough, l'un des auteurs de l'article, a déclaré:"C'est fantastique d'observer tous ces effets simultanément dans une monocouche de graphène. Cela est dû aux excellentes propriétés électroniques du graphène qui nous permettent d'étudier ces effets hors-de- processus quantiques d'équilibre en détail et comprendre comment les électrons du graphène, accélérés par un champ électrique puissant, se dispersent et perdent leur énergie. La vitesse de Landau est une propriété quantique des supraconducteurs et de l'hélium superfluide. Il était donc particulièrement excitant de détecter un effet similaire dans le magnétorésistance résonnante dissipative du graphène."

Les appareils ont été fabriqués au National Graphene Institute de l'Université de Manchester.

Le Dr Piranavan Kumaravadivel, qui a dirigé les notes de conception et de développement des appareils, "la grande taille et la haute qualité de nos appareils sont essentielles pour observer ces phénomènes. Nos appareils sont suffisamment grands et purs pour que les électrons interagissent presque exclusivement avec les phonons et d'autres électrons. Nous nous attendons à que ces résultats inspireront des études similaires de phénomènes de non-équilibre dans d'autres matériaux 2D Nos mesures démontrent également que les couches de graphène de haute qualité peuvent transporter des densités de courant continu très élevées qui se rapprochent de celles réalisables dans les supraconducteurs Les transistors en graphène de haute pureté pourraient trouver de futures applications dans technologies électroniques de puissance à l'échelle nanométrique. + Explorer plus loin

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