随着概率计算、神经形态计算以及真随机数生成等新型信息技术的发展，如何利用材料体系中的本征随机涨落构建稳定、高效的随机信号源，正逐渐成为电子器件研究的重要方向。石墨烯由于其独特的狄拉克能带结构，在电子输运与非线性动力学方面展现出丰富的物理特性。
近期，北京工业大学刘博团队利用石墨烯在狄拉克点附近的随机共振效应，实现了稳定的随机电流振荡，并提出了一种基于石墨烯的高频随机电流发生器。该研究为二维材料在随机电子器件与新型信息处理系统中的应用提供了新的思路。
研究亮点
- 提出石墨烯高频随机电流发生器：基于石墨烯狄拉克点附近的随机共振效应，实现稳定随机电流振荡。
- 高开关比随机电流输出：器件产生的随机电流具有 >10 的开关比（on/off ratio），显著优于传统噪声调控方法。
- 低功耗运行：系统能耗低于 250 μJ/s，具备低能耗随机电子器件应用潜力。
- 接近等概率随机态分布：在长时间尺度（10³ s）下，高低电流状态概率接近50%–50%，满足随机信号生成需求。
- 多算法分析随机动力学行为：通过 Markov链、时间延迟模式（time-lag pattern）与Kalman滤波，系统分析随机电流的跃迁规律与可预测性。
研究背景
在传统电子器件中，噪声通常被视为影响信号稳定性的干扰因素，因此大量研究致力于降低或抑制噪声。然而，随着概率计算、神经形态计算以及真随机数生成（TRNG）等新型信息技术的发展，随机信号逐渐成为重要的信息资源。利用材料体系中的本征随机涨落构建稳定、高效的随机信号源，正在成为电子器件研究的新方向。
目前随机信号的实现方式主要包括：
- 放大器提取随机电报噪声
- 比较器输出随机信号
- 随机共振驱动的振荡系统
但这些方法仍面临稳定性不足、开关比有限及功耗较高等问题，因此探索新的材料体系与物理机制具有重要意义。
技术原理
石墨烯是一种典型的二维狄拉克材料，其导带与价带在狄拉克点（Dirac point）处相交，电子呈现无质量费米子特性。当器件工作在狄拉克点附近时，电子输运会受到泡利阻塞效应影响，从而产生随机的带间跃迁。
研究表明，在外加偏压与环境噪声作用下，这些微弱电流涨落可以通过随机共振（stochastic resonance）机制被放大。随机共振是一种非线性动力学现象，适当强度的噪声能够增强系统响应，使随机涨落演化为明显的电流振荡。
基于这一机制，石墨烯器件能够在噪声驱动下产生稳定的随机电流输出。
核心研究发现
实验结果表明，该石墨烯器件在狄拉克点附近能够产生明显的随机电流振荡行为，系统表现为双态电流分布，即电流在两个稳定状态之间随机跃迁，并在长时间尺度上保持稳定统计特性。
该随机电流系统表现出以下特点：
- 较高开关比：电流 on/off ratio > 10
- 稳定随机性：高低电流态概率接近 50%
- 低功耗运行：系统功耗 < 250 μJ/s
此外，通过Markov链模型、时间延迟分析与Kalman 滤波对随机动力学行为进行了统计研究。
研究意义
该研究提出了一种基于石墨烯狄拉克点随机共振效应的高频随机电流发生器。通过将传统电子学中的噪声转化为可利用的随机信号资源，为随机电子器件提供了新的实现路径。
这一工作展示了二维材料在随机信息处理中的应用潜力，也为新型信息计算器件的设计提供了重要思路。相关器件在以下领域具有潜在应用价值：
- 真随机数生成器（TRNG）
- 概率计算硬件
- 神经形态计算系统
- 随机电子器件设计
未来，利用低维材料本征随机过程进行信息处理，可能成为电子器件发展的重要方向。
作者介绍
刘博，北京工业大学信息科学技术学院讲师，主要研究方向包括基于先进封装的新型微纳电子技术以及新型射频电子器件。刘老师于2011年在中南大学获得测控技术与仪器专业学士学位，随后在台湾长庚大学分别于2013年和2019年获得电子工程硕士和博士学位。2019年起，他进入北京工业大学信息科学技术学院担任讲师，承担本科生《微机原理与应用》课程的教学工作。
在教学科研之余，刘博老师积极承担科研项目，先后主持了国家自然科学基金青年项目和北京市自然科学基金面上项目。其研究成果在硬件安全与新型半导体材料领域取得了重要突破，代表性工作如基于Bi₂O₂Se的真随机数发生器发表于 ACS Nano，基于忆阻器时空变化特性的硬件原语实现发表于Chip 期刊，并因此获得Chip中国2023年芯片科学十大进展提名奖。
文章信息：
Ma, J., Jiang, Z, Pan, S. et al. Current oscillations via stochastic resonance effect at the vicinity of graphene Dirac point (2026)
关键词：随机电流；石墨烯；算法；噪声；泡利阻塞
阅读原文：DOI: https://doi.org/10.1016/j.revmat.2026.100165
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