石墨烯与混频器千丝万缕

材料牛注：石墨烯在科学界已经家喻户晓，这次这个神奇材料又给我们带来了哪些惊喜?研究人员从石墨烯的张力下手，制作出了新一代的混频器。

图注：上图是三种被激活的圆鼓振动模式。在石墨烯中这些模式耦合到另一个模式可以实现交换能量。下图是一个艺术家对石墨烯鼓的描画。石墨烯在硅片的圆形沟槽上振动。T形金属电极与石墨烯底面连接，中心电极提供电力来带动运动。

为了更好地理解，你可以想象一个画面：一名教授、一名博士后和一名研究生正在蹦床上尽情的跳跃。

你认为这个开场是在讲笑话么？不！这是由Cornell大学领导的关于神奇材料石墨烯的一个测试计划。由物理学研究生Roberto De Alba和物理系主任Jeevak Parpia教授带领的研究小组已经在Nature Nanotechnology发表了一篇论文，Nature Nanotechnology主要涉及多功能应用程序以及超强、超轻材料。

他们的论文《可调节声子腔耦合的石墨烯膜》发表于6月13日，论文中介绍了在振动模式下石墨烯张力的调节能力，允许能量直接从一个频率转移到另一个频率。De Alba是论文的第一作者。

现在，回到蹦床。首先，教授以缓慢的速率在蹦床进行跳跃。其次，博士后以中等的速率在蹦床进行跳跃。最后，研究生以较快的速率在蹦床进行跳跃。他们代表着蹦床的自然模式，是对石墨烯张力的模拟。

如果教授首先进行他的慢跳，紧接着研究生进行他的快跳，这时已经准备好跳跃的博士生就会以自己的速率不由自主的跳起来。接下来更为明显的现象是，教授跳跃的高度变得比最初要高，因为能量从更快的跳跃者身上转移到了他身上。这种情况不会发生在你家的后院，但是会发生在石墨烯上，因为石墨烯具有较高的弹性模量，这种特性导致任何震动都会引起膜张力较大的变化。

对于这一概念的应用，研究小组制作的石墨烯“鼓”直径范围是5到20微米（100万微米=1米）。这些鼓可以设置在运动的交变电场或由其组成的原子热振动中（原子的振动频率相同，物体的温度则相同）；原子的运动由激光干涉法进行检测，这种方法是数年前由Harold Craighead的研究小组在Cornell大学设计的。

有外加电压的石墨烯膜作为“调节膜”来控制石墨烯的张力，如果要改变耦合则需要通过刺激一个振动模式来控制另一个振动模式。

De Alba说：“我们已经证明将能量从一种模式转移到另一种模式是可行的，这就允许我们通过激活另一种模式来抑制或放大一个模式的振动。”

Parpia说：“你能仅仅通过电压改变这个物体运动的基本频率，也就是说它的热运动。”

De Alba说，“声子腔”这一术语来源于其机械效应与光学谐振腔相类似，光学谐振腔可将能量从激光转化为机械运动。声子是用来描述振动的准粒子，同时，光子是光的粒子。这一发现为石墨烯机械谐振器在电信应用方面铺平了道路，例如：混频器。

De Alba说：“因为石墨烯的厚度只有一个原子层，较低的重量成就了它非常棒的力传感性能、气传感性能和压力传感性能，这可以利用在实验室的超弱力研究。”

另外，当冷却到接近绝对零度，这些谐振器在检测微弱量子信号，识别和开发新的电子信息技术方面起到关键的作用。

论文地址：Tunable phonon-cavity coupling in graphene membranes

原文参考地址：Graphene used as a frequency mixer in new research

感谢材料人编辑部尉谷雨提供素材