Het begrijpen van niet-evenwichtsverschijnselen om het effectief te beheersen, is een uitstekende uitdaging in wetenschap en techniek. In een recente studie, Trond. I. Andersen en collega's van de afdelingen natuurkunde, scheikunde, materiaalwetenschap en techniek in de VS, Japan en Canada gebruikten elektriciteit om ultraschone grafeenapparaten uit hun evenwicht te brengen en de gemanifesteerde instabiliteit te observeren als verhoogde stroomfluctuaties en onderdrukte geleidbaarheid bij microgolffrequenties.

Met behulp van de experimentele opstelling, ze ontdekten dat gelijkstroom bij hoge driftsnelheden een grote toename van het geluid veroorzaakte bij gigahertz-frequenties en het geluid groeide exponentieel in de richting van de stroom. Andersen en collega's schreven het waargenomen emissiemechanisme toe, aan de versterking van akoestische fononen door het Cerenkov-effect (een karakteristieke blauwe gloed als gevolg van geladen deeltjes die met een snelheid groter dan de lichtsnelheid in dat medium door een isolator gaan) en hebben de resultaten nu gepubliceerd op Wetenschap .

De wetenschappers brachten de niet-evenwichtsstroomfluctuaties ruimtelijk in kaart met behulp van magnetische veldsensoren op nanoschaal om te onthullen dat ze exponentieel groeiden in de richting van de dragerstroom. Andersen et al. gecrediteerd de waargenomen afhankelijkheid van het fenomeen op dichtheid en temperatuur, naar elektron-fonon Cerenkov-instabiliteit bij supersonische driftsnelheden. Supersonische driftsnelheden traden op toen de populatie van bepaalde fononen met de tijd toenam als gevolg van geforceerde Cerenkov-emissie, wanneer de driftsnelheid van elektronengeleiding groter was dan de geluidssnelheid (V _NS > V _S ) in het midden. De experimentele resultaten kunnen de mogelijkheid bieden om afstembare terahertz-frequenties te genereren en actieve phononic-apparaten te construeren op tweedimensionale materialen.

Niet-evenwichtsverschijnselen die worden aangestuurd in elektronische en optische systemen vertonen een rijke dynamiek, die kunnen worden gebruikt voor toepassingen als Gunn-diodes en lasers. Tweedimensionale materialen zoals grafeen, zijn een steeds populairder nieuw platform om dergelijke fenomenen te verkennen. Bijvoorbeeld, moderne ultraschone grafeenapparaten vertonen hoge mobiliteiten en kunnen worden aangedreven tot hoge elektronische snelheden met voorspelde instabiliteiten, waaronder hydrodynamische instabiliteiten in elektronische vloeistoffen en Dyakonov-Shur-instabiliteiten waarbij de aangedreven elektronen plasmonen kunnen versterken.

De studie van elektronische eigenschappen van grafeen onder extreme niet-evenwichtsomstandigheden biedt daarom een ​​productief testbed om exotische transportfenomenen te beoordelen en te volgen. Naast het gebruik van hoogfrequente signaalgeneratie, Andersen et al. onderzocht de onderliggende niet-evenwichtsdynamiek tijdens elektronentransport in ultraschone grafeenapparaten met een extreem hoge elektronendriftsnelheid. Het begrijpen van niet-evenwichtsdynamiek is van vitaal belang voor veel technische toepassingen van grafeen; inclusief hoogfrequente transistoren, ultrasnelle gloeilampen en flexibele transportverbindingen. Echter, het is moeilijk om de elektronische stabiliteiten in de praktijk te realiseren, als gevolg van verhoogde fononverstrooiing bij hoge driftsnelheden.

In principe, terwijl fononverstrooiingsverlies typisch onomkeerbaar is, langlevende fononen kunnen fungeren als een dominante bron van instabiliteit binnen de experimentele opstelling. Wanneer de elektronische driftsnelheid (V _NS ) overschrijdt de geluidssnelheid (V _S ), fonon-emissie wordt groter dan fonon-absorptie, resulterend in een exponentiële groei van de fononpopulatie, bekend als fonon Cerenkov-versterking. Het fenomeen werd lang in theorie onderzocht als een techniek om hoogfrequente akoestische golven te produceren, met begeleidend experimenteel bewijs in bulksystemen en halfgeleidersuperroosters verkregen met behulp van akoestische en optische metingen daarna.

In het huidige werk, Andersen et al. gebruikte elektrisch gated grafeen apparaten vervaardigd op diamant en silicium/siliciumdioxide substraten, ingekapseld in hexagonaal boornitride (hBN) bij cryogene temperaturen (T=10 tot 80 K) om de voorgestelde experimenten uit te voeren. De experimentele opstelling zorgde voor transporteigenschappen met een lage bias voor het ultraschone grafeensysteem met een mobiliteit variërend van 20 tot 40 m ² /V.s bij een dragerdichtheid (2 x 10 ¹² cm ^-2 ), overeenkomend met bijna ballistisch transport. Door de hoge mobiliteit, dragers kunnen worden versneld door een elektrisch veld tot hoge driftsnelheden om niet-lineaire stroomrespons waar te nemen, terwijl een ongeordend apparaat daarentegen lineair ohms gedrag vertoonde.

Om het niet-evenwichtsgedrag te bestuderen, eerst, Andersen et al. de globale ruis in de bron-afvoerstroom gemeten met een spectrumanalysator, terwijl het toegepaste voorspanningsvermogen wordt gevarieerd ( P ). De resultaten wezen op een nieuwe bron van ruis in grafeenapparaten met weinig wanorde, ingekapseld in hBN. Om inzicht te krijgen in de waargenomen anomalie, de wetenschappers voerden ruimtelijk opgeloste ruismetingen uit door grafeenapparaten te construeren op diamantsubstraten met ondiepe stikstof-vacature kleurcentrumonzuiverheden van 40 tot 60 nm diep. Ze maten de atoomachtige spin-qubits met behulp van confocale microscopie en onderzochten de stroomruis op nanoschaal door de resulterende magnetische velden te meten.

Andersen et al. onderzocht de ruimtelijke afhankelijkheid van de afwijkende ruis door optisch enkele NV-centra langs het apparaat te observeren om hun spin-relaxatiesnelheid te meten. Het geluid vertoonde duidelijke symmetrie met de richting van de stroom, een onverwachte uitkomst aangezien globale ruis en transporteigenschappen onafhankelijk zijn van de richting van de stroom. Gebruik vervolgens de apparaatpoort, Andersen et al. demonstrated that the local noise signal depended on the flow direction of momentum and not 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; daarom, 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. Echter, 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.

Op deze manier, Andersen et al. extensively detailed how nonequilibrium dynamics stemming from electron-phonon instability could be demonstrated in a 2D material. In de experimenten, 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), draadloze communicatie, 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.

© 2019 Wetenschap X Netwerk