当一辆警车加速向你驶来并鸣笛经过时，你可以听到警笛声的频率有明显的变化。这就是多普勒效应。当喷气式飞机的速度超过音速（约340m/s）时，它对空气施加的压力会产生一个冲击波，让人可以听到巨大的超音速轰鸣声或雷鸣声，这就是马赫效应。

来自拉夫堡大学、诺丁汉大学、曼彻斯特大学、兰开斯特大学和堪萨斯大学的科学家们发现，这些现象的量子力学中发生在由高纯度石墨烯制成的电子晶体管中。

石墨烯的强度是钢铁的100多倍，但重量极轻，导电性是硅的100多倍，并且在室温下的电阻率是所有已知材料中最低的。这些特性使石墨烯非常适合于一系列的应用，包括改善手机和平板电脑触摸屏的涂层和提高电子电路的速度。

研究小组使用强电场和磁场来加速由碳原子六边形晶格组成的原子薄石墨烯单层中的电子流。在足够高的电流密度下——相当于每平方米约有1000亿安培通过单层碳原子，电子流的速度达到每秒14公里（约3万英里/小时），同时摇晃碳原子，从而发射出声子。这种声子发射被检测为晶体管电阻的共振增加，同时科学家在石墨烯中观察到超音速的轰鸣。

研究人员还在较低的电流下观察到了多普勒效应的量子力学类似物，当高能电子在量化回旋轨道之间跳跃并发射声子时，其频率会出现类似多普勒的上移或下移，这取决于声波相对于加速的电子的方向。

通过将他们的石墨烯晶体管冷却到液氦温度，研究小组检测到了第三种现象，即电子通过其电荷相互作用，并以一种临界速度，即所谓的朗道速度，在量化的能量级之间进行跳跃。

科学家说：“在石墨烯单层中同时观察到所有这些效应是非常奇妙的。正是由于石墨烯出色的电子特性，使我们能够详细研究这些失衡的量子过程，了解石墨烯中的电子在强电场的加速下是如何散射并失去能量的。朗道速度是超导体和超流体氦的一个量子特性。因此，在石墨烯的耗散性共振腔磁阻中检测到类似的效应特别令人激动。”

领导器件设计和开发的Piranavan Kumaravadivel博士指出，“我们期望这些结果将激发对其他二维材料中非平衡现象的类似研究。我们的测量结果还表明，高质量的石墨烯层可以携带非常高的连续电流密度，接近于在超导体中可以实现的电流密度。高纯度的石墨烯晶体管可以在未来找到纳米级电力电子技术的应用。”

该研究论文题为"Graphene"s non-equilibrium fermions reveal Doppler-shifted magnetophonon resonances accompanied by Mach supersonic and Landau velocity effects"，已发表在《自然·通讯》期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26663-4

标签： 石墨烯 电子