石墨烯與混頻器千絲萬縷

材料牛注：石墨烯在科學界已經家喻戶曉，這次這個神奇材料又給我們帶來了哪些驚喜?研究人員從石墨烯的張力下手，制作出了新一代的混頻器。

圖注：上圖是三種被激活的圓鼓振動模式。在石墨烯中這些模式耦合到另一個模式可以實現交換能量。下圖是一個藝術家對石墨烯鼓的描畫。石墨烯在硅片的圓形溝槽上振動。T形金屬電極與石墨烯底面連接，中心電極提供電力來帶動運動。

為了更好地理解，你可以想象一個畫面：一名教授、一名博士后和一名研究生正在蹦床上盡情的跳躍。

你認為這個開場是在講笑話么？不！這是由Cornell大學領導的關于神奇材料石墨烯的一個測試計劃。由物理學研究生Roberto De Alba和物理系主任Jeevak Parpia教授帶領的研究小組已經在Nature Nanotechnology發表了一篇論文，Nature Nanotechnology主要涉及多功能應用程序以及超強、超輕材料。

他們的論文《可調節聲子腔耦合的石墨烯膜》發表于6月13日，論文中介紹了在振動模式下石墨烯張力的調節能力，允許能量直接從一個頻率轉移到另一個頻率。De Alba是論文的第一作者。

現在，回到蹦床。首先，教授以緩慢的速率在蹦床進行跳躍。其次，博士后以中等的速率在蹦床進行跳躍。最后，研究生以較快的速率在蹦床進行跳躍。他們代表著蹦床的自然模式，是對石墨烯張力的模擬。

如果教授首先進行他的慢跳，緊接著研究生進行他的快跳，這時已經準備好跳躍的博士生就會以自己的速率不由自主的跳起來。接下來更為明顯的現象是，教授跳躍的高度變得比最初要高，因為能量從更快的跳躍者身上轉移到了他身上。這種情況不會發生在你家的后院，但是會發生在石墨烯上，因為石墨烯具有較高的彈性模量，這種特性導致任何震動都會引起膜張力較大的變化。

對于這一概念的應用，研究小組制作的石墨烯“鼓”直徑范圍是5到20微米（100萬微米=1米）。這些鼓可以設置在運動的交變電場或由其組成的原子熱振動中（原子的振動頻率相同，物體的溫度則相同）；原子的運動由激光干涉法進行檢測，這種方法是數年前由Harold Craighead的研究小組在Cornell大學設計的。

有外加電壓的石墨烯膜作為“調節膜”來控制石墨烯的張力，如果要改變耦合則需要通過刺激一個振動模式來控制另一個振動模式。

De Alba說：“我們已經證明將能量從一種模式轉移到另一種模式是可行的，這就允許我們通過激活另一種模式來抑制或放大一個模式的振動。”

Parpia說：“你能僅僅通過電壓改變這個物體運動的基本頻率，也就是說它的熱運動。”

De Alba說，“聲子腔”這一術語來源于其機械效應與光學諧振腔相類似，光學諧振腔可將能量從激光轉化為機械運動。聲子是用來描述振動的準粒子，同時，光子是光的粒子。這一發現為石墨烯機械諧振器在電信應用方面鋪平了道路，例如：混頻器。

De Alba說：“因為石墨烯的厚度只有一個原子層，較低的重量成就了它非常棒的力傳感性能、氣傳感性能和壓力傳感性能，這可以利用在實驗室的超弱力研究。”

另外，當冷卻到接近絕對零度，這些諧振器在檢測微弱量子信號，識別和開發新的電子信息技術方面起到關鍵的作用。

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

原文參考地址：Graphene used as a frequency mixer in new research

感謝材料人編輯部尉谷雨提供素材