當一輛警車加速向你駛來并鳴笛經過時，你可以聽到警笛聲的頻率有明顯的變化。這就是多普勒效應。當噴氣式飛機的速度超過音速（約340m/s）時，它對空氣施加的壓力會產生一個沖擊波，讓人可以聽到巨大的超音速轟鳴聲或雷鳴聲，這就是馬赫效應。

來自拉夫堡大學、諾丁漢大學、曼徹斯特大學、蘭開斯特大學和堪薩斯大學的科學家們發現，這些現象的量子力學中發生在由高純度石墨烯制成的電子晶體管中。

石墨烯的強度是鋼鐵的100多倍，但重量極輕，導電性是硅的100多倍，并且在室溫下的電阻率是所有已知材料中最低的。這些特性使石墨烯非常適合于一系列的應用，包括改善手機和平板電腦觸摸屏的涂層和提高電子電路的速度。

研究小組使用強電場和磁場來加速由碳原子六邊形晶格組成的原子薄石墨烯單層中的電子流。在足夠高的電流密度下——相當于每平方米約有1000億安培通過單層碳原子，電子流的速度達到每秒14公里（約3萬英里/小時），同時搖晃碳原子，從而發射出聲子。這種聲子發射被檢測為晶體管電阻的共振增加，同時科學家在石墨烯中觀察到超音速的轟鳴。

研究人員還在較低的電流下觀察到了多普勒效應的量子力學類似物，當高能電子在量化回旋軌道之間跳躍并發射聲子時，其頻率會出現類似多普勒的上移或下移，這取決于聲波相對于加速的電子的方向。

通過將他們的石墨烯晶體管冷卻到液氦溫度，研究小組檢測到了第三種現象，即電子通過其電荷相互作用，并以一種臨界速度，即所謂的朗道速度，在量化的能量級之間進行跳躍。

科學家說：“在石墨烯單層中同時觀察到所有這些效應是非常奇妙的。正是由于石墨烯出色的電子特性，使我們能夠詳細研究這些失衡的量子過程，了解石墨烯中的電子在強電場的加速下是如何散射并失去能量的。朗道速度是超導體和超流體氦的一個量子特性。因此，在石墨烯的耗散性共振腔磁阻中檢測到類似的效應特別令人激動。”

領導器件設計和開發的Piranavan Kumaravadivel博士指出，“我們期望這些結果將激發對其他二維材料中非平衡現象的類似研究。我們的測量結果還表明，高質量的石墨烯層可以攜帶非常高的連續電流密度，接近于在超導體中可以實現的電流密度。高純度的石墨烯晶體管可以在未來找到納米級電力電子技術的應用。”

該研究論文題為"Graphene"s non-equilibrium fermions reveal Doppler-shifted magnetophonon resonances accompanied by Mach supersonic and Landau velocity effects"，已發表在《自然·通訊》期刊上。

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參考資料：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26663-4

標簽： 石墨烯 電子