Pesquisa com grafeno abre novas possibilidades para tecnologias eletrônicas

Fig. 1:Dependência de corrente das oscilações de magnetoresistência em barras Hall de grafeno monocamada. uma imagem de micrografia óptica da barra Hall de grafeno (W = 15 μm) e um diagrama esquemático da configuração de medição. b Gráficos de resistência diferencial ry = dVy/dI em T = 5 K em função de B para correntes CC, I, entre 0 (azul) e 140 μA (vermelho) em intervalos de 14 μA, as curvas são deslocadas em 0,7 Ω para maior clareza . Os colchetes indicam o surgimento de magneto-oscilações de não equilíbrio adicionais (NEMOs) examinadas em detalhes nas Figs. 2 e 3. Os colchetes rotulados SdH indicam oscilações de Shubnikov–de Haas e colchetes rotulados MF indicam os picos de focagem magnética. Crédito:DOI:10.1038/s41467-021-26663-4

Uma equipe de pesquisadores revelou que o estrondo sônico e as ondas sonoras com deslocamento Doppler podem ser criadas em um transistor de grafeno, dando novos insights sobre esse material mundialmente famoso e seu potencial para uso em tecnologias eletrônicas em nanoescala.
Quando um carro de polícia acelera em sua direção e passa com a sirene tocando, você pode ouvir uma mudança distinta na frequência do ruído da sirene. Este é o efeito Doppler. Quando a velocidade de um avião a jato excede a velocidade do som (cerca de 760 mph), a pressão que exerce sobre o ar produz uma onda de choque que pode ser ouvida como um estrondo supersônico ou trovão; este é o efeito Mach.

Cientistas das universidades de Loughborough, Nottingham, Manchester, Lancaster e Kansas descobriram que uma versão mecânica quântica desses fenômenos ocorre em um transistor eletrônico feito de grafeno de alta pureza. Sua nova publicação, os férmions fora do equilíbrio do grafeno revelam ressonâncias de magnetofonon com deslocamento Doppler acompanhadas por efeitos supersônicos de Mach e velocidade Landau, foi publicada hoje na Nature Communications .

O grafeno é mais de 100 vezes mais forte que o aço, sendo extremamente leve, mais de 100 vezes mais condutor que o silício e possui a menor resistividade elétrica à temperatura ambiente de todos os materiais conhecidos. Essas propriedades tornam o grafeno adequado para uma variedade de aplicações, incluindo revestimentos para melhorar telas sensíveis ao toque em telefones e tablets e aumentar a velocidade de circuitos eletrônicos.

A equipe de pesquisa usou campos elétricos e magnéticos fortes para acelerar um fluxo de elétrons em uma monocamada de grafeno atomicamente fina composta por uma rede hexagonal de átomos de carbono.

Em uma densidade de corrente suficientemente alta, equivalente a cerca de 100 bilhões de amperes por metro quadrado passando pela única camada atômica de carbono, o fluxo de elétrons atinge uma velocidade de 14 quilômetros por segundo (cerca de 30.000 mph) e começa a sacudir os átomos de carbono, assim emitindo feixes quantizados de energia sonora chamados fônons acústicos. Essa emissão de fônons é detectada como um aumento ressonante na resistência elétrica do transistor; um boom supersônico é observado no grafeno.

Os pesquisadores também observaram um análogo da mecânica quântica do efeito Doppler em correntes mais baixas, quando elétrons energéticos saltam entre órbitas quantizadas de ciclotron e emitem fônons acústicos com um deslocamento para cima ou para baixo do tipo Doppler de suas frequências, dependendo da direção do som. ondas em relação à velocidade dos elétrons.

Ao resfriar seu transistor de grafeno à temperatura de hélio líquido, a equipe detectou um terceiro fenômeno no qual os elétrons interagem uns com os outros através de sua carga elétrica e fazem saltos "sem fonon" entre níveis de energia quantizados em uma velocidade crítica, a chamada velocidade de Landau.

O Dr. Mark Greenway de Loughborough, um dos autores do artigo, disse:“É fantástico observar todos esses efeitos simultaneamente em uma monocamada de grafeno. processos quânticos de equilíbrio em detalhes e entender como os elétrons no grafeno, acelerados por um forte campo elétrico, se espalham e perdem sua energia. A velocidade de Landau é uma propriedade quântica dos supercondutores e do hélio superfluido. Portanto, foi particularmente emocionante detectar um efeito semelhante no magnetoresistência dissipativa ressonante do grafeno."

Os dispositivos foram fabricados no Instituto Nacional de Grafeno da Universidade de Manchester.

Dr. Piranavan Kumaravadivel, que liderou as notas de design e desenvolvimento de dispositivos, "o grande tamanho e a alta qualidade de nossos dispositivos são fundamentais para observar esses fenômenos. Nossos dispositivos são suficientemente grandes e puros para que os elétrons interajam quase exclusivamente com fônons e outros elétrons. que esses resultados inspirarão estudos semelhantes de fenômenos de não equilíbrio em outros materiais 2D. Nossas medições também demonstram que camadas de grafeno de alta qualidade podem transportar densidades de corrente contínua muito altas que se aproximam daquelas alcançáveis em supercondutores. Transistores de grafeno de alta pureza podem encontrar aplicações futuras em tecnologias eletrônicas de potência em nanoescala." + Explorar mais