p Compreender fenômenos de não-equilíbrio para controlá-los com eficácia é um grande desafio na ciência e na engenharia. Em um estudo recente, Trond. I. Andersen e colegas dos departamentos de física, química, ciência e engenharia de materiais nos EUA, O Japão e o Canadá usaram eletricidade para desequilibrar os dispositivos de grafeno ultrafinos e observar a instabilidade manifestada como flutuações de corrente aumentadas e condutividade suprimida em frequências de micro-ondas. p Usando a configuração experimental, eles descobriram que a corrente contínua em altas velocidades de deriva gerou um grande aumento no ruído em frequências gigahertz e o ruído cresceu exponencialmente na direção da corrente. Andersen e colegas de trabalho creditaram o mecanismo de emissão observado, à amplificação de fônons acústicos pelo efeito Cerenkov (um brilho azul característico resultante de partículas carregadas que passam por um isolador a uma velocidade maior que a velocidade da luz naquele meio) e agora publicamos os resultados em Ciência .

p Os cientistas mapearam espacialmente as flutuações de corrente de não-equilíbrio usando sensores de campo magnético em nanoescala para revelar que elas cresceram exponencialmente ao longo da direção do fluxo de portadores. Andersen et al. creditaram a dependência observada do fenômeno na densidade e temperatura, à instabilidade de Cerenkov elétron-fônon em velocidades de deriva supersônica. As velocidades de deriva supersônica ocorreram quando a população de certos fônons aumentou com o tempo devido à emissão forçada de Cerenkov, quando a velocidade de deriva de condução de elétrons era maior do que a velocidade do som (V _D > V _S ) no meio. Os resultados experimentais podem oferecer a oportunidade de gerar frequências terahertz sintonizáveis ​​e construir dispositivos fonônicos ativos em materiais bidimensionais.

p Fenômenos de não equilíbrio acionados em sistemas eletrônicos e ópticos exibem uma dinâmica rica, que pode ser aproveitado para aplicações como diodos Gunn e lasers. Materiais bidimensionais, como grafeno, são uma nova plataforma cada vez mais popular para explorar tais fenômenos. Por exemplo, dispositivos de grafeno ultraclean modernos demonstram altas mobilidades e podem ser conduzidos a altas velocidades eletrônicas com instabilidades previstas para incluir instabilidades hidrodinâmicas em fluidos eletrônicos e instabilidades de Dyakonov-Shur onde os elétrons conduzidos podem amplificar plasmons.

p O estudo das propriedades eletrônicas do grafeno sob condições extremas de não-equilíbrio, portanto, fornece uma base de teste produtiva para avaliar e monitorar fenômenos de transporte exóticos. Além do uso de geração de sinal de alta frequência, Andersen et al. investigou a dinâmica de não equilíbrio subjacente durante o transporte de elétrons em dispositivos de grafeno ultraclean contendo uma velocidade de deriva de elétrons extremamente alta. Compreender a dinâmica de não-equilíbrio é vital para muitas aplicações técnicas do grafeno; incluindo transistores de alta frequência, fontes de luz incandescente ultrarrápida e interconexões de transporte flexíveis. Contudo, é difícil perceber as estabilidades eletrônicas na prática, devido ao aumento do espalhamento de fônons em altas velocidades de deriva.

p Em princípio, enquanto a perda de espalhamento de fônon é tipicamente irreversível, fônons de longa vida podem atuar como uma fonte dominante de instabilidade dentro da configuração experimental. Quando a velocidade eletrônica deriva (V _D ) excede a velocidade do som (V _S ), a emissão de fônon torna-se maior do que a absorção de fônon, resultando em um crescimento exponencial da população de fônons, conhecido como amplificação de fônon Cerenkov. O fenômeno foi muito explorado na teoria como uma técnica para produzir ondas acústicas de alta frequência, com acompanhamento de evidência experimental em sistemas em massa e superredes semicondutoras obtidas usando medições acústicas e ópticas posteriormente.

p No presente trabalho, Andersen et al. usaram dispositivos de grafeno eletricamente fechados fabricados em substratos de diamante e silício / dióxido de silício, encapsulado em nitreto de boro hexagonal (hBN) em temperaturas criogênicas (T =10 a 80 K) para conduzir os experimentos propostos. A configuração experimental forneceu propriedades de transporte de baixa polarização para o sistema de grafeno ultraclean com uma mobilidade variando de 20 a 40 m ² /V.s em uma densidade de portadora (2 x 10 ¹² cm ^-2 ), correspondendo a transporte quase balístico. Devido à alta mobilidade, portadores poderiam ser acelerados por um campo elétrico para altas velocidades de deriva para observar a resposta de corrente não linear, enquanto um dispositivo desordenado contrastantemente mostrou comportamento ôhmico linear.

p Para estudar o comportamento de não equilíbrio, primeiro, Andersen et al. mediu o ruído global na corrente fonte-dreno com um analisador de espectro, ao variar o poder de polarização aplicado ( P ) Os resultados indicaram uma nova fonte de ruído em dispositivos de grafeno com baixa desordem, encapsulado em hBN. Para obter informações sobre a anomalia observada, os cientistas realizaram medições de ruído espacialmente resolvidas construindo dispositivos de grafeno em substratos de diamante com impurezas de centro de cor com vazio de nitrogênio raso de 40 a 60 nm de profundidade. Eles mediram os qubits de spin semelhantes a átomos usando microscopia confocal e sondaram o ruído da corrente em nanoescala medindo os campos magnéticos resultantes.

p Andersen et al. sondou a dependência espacial do ruído anômalo observando opticamente centros de NV únicos ao longo do dispositivo para medir sua taxa de relaxamento de spin. O ruído exibiu uma simetria clara com a direção da corrente, um resultado inesperado, uma vez que o ruído global e as propriedades de transporte são independentes da direção da corrente. Então, usando a porta do dispositivo, Andersen et al. demonstraram que o sinal de ruído local dependia da direção do fluxo do momento e não da carga. 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.

p 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; Portanto, an emitted phonon could stimulate the emission of exponential growth in the setup.

p 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.

p 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. Contudo, 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.

p Desta maneira, Andersen et al. extensively detailed how nonequilibrium dynamics stemming from electron-phonon instability could be demonstrated in a 2D material. Nos experimentos, 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.

p 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), comunicações sem fio, 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. p © 2019 Science X Network