一种新型量子器件能够通过在极低温下驱动电子穿过超薄晶体，产生精确控制的类声粒子（即声子）脉冲。这一惊人的现象突破了现有理论预测的极限，表明科学家需要重新思考能量在先进材料中的传输方式。未来，这一突破有望催生声子激光器、更快的通信技术、更先进的医疗技术以及强大的新型传感系统。
“现代通信主要基于光，包括电磁波和电流。在海洋等介质中，声音可以传播，而光和电流则不能，”物理学副教授、该研究合著者迈克尔·希尔克（Michael Hilke）说道。“在人体中，声波也可以成为一种有用的工具。”
该器件由麦吉尔大学和加拿大国家研究委员会的研究人员设计和测试，而器件中使用的材料则是在普林斯顿大学合成的。
快速电子如何产生量子声
研究团队利用一种二维晶体制造了该器件，这种晶体将电子限制在仅有几个原子宽的通道中。当电流推动电子以高速穿过这一超薄通道时，电子会以被称为声子的类声振动爆发形式释放其多余能量。
研究人员发现，这些声子可以以可预测、可控制的模式产生，这是迈向依赖于在量子水平上精确操纵声音的实用器件的重要一步。
冷却解锁异常量子行为
实验是在约10毫开尔文到3.9开尔文的温度范围内进行的。在这些极低的温度下，电子的行为方式要有序得多，使得观察量子现象变得更容易，在量子现象中物质表现得像波而不是普通粒子。
“在绝对零度下——也就是量子物理的世界——除非电子以声速或超过声速集体行进，否则不会产生声音，”希尔克解释道。“早期的工作观察到随着电子速度接近声障而产生的相关效应。我们的研究更进一步，将系统推向远超该点的状态，并表明现有理论需要重新评估，因为即使宿主晶体接近绝对零度，电子仍可能非常‘热’。”
迈向更快的通信和医疗技术
研究的下一阶段将探索用其他材料构建该器件，包括石墨烯，这可能使其以更高的速度运行。
据希尔克介绍，该技术的未来版本可能有助于实现更快的通信系统、更灵敏的检测工具、改进的生物材料研究方法以及先进的医疗技术。
“声子很难以受控的方式产生和利用，因此我们正在探索新的领域。从广义上讲，这关乎电流和能量如何在先进电子材料内部移动和转化，”他说。
研究详情
研究结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，论文题为《超高迁移率二维系统中超声速电子的共振磁声子发射》（"Resonant magnetophonon emission by supersonic electrons in ultrahigh-mobility two-dimensional systems,"），作者是迈克尔·希尔克等人。
该研究由加拿大自然科学与工程研究委员会和魁北克研究基金——自然与技术资助。