石墨烯量子领域取得最新进展

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研究人员在研究二维(2D)石墨烯发现了意想不到的现象。

由Artem Mishchenko博士,Volodya Fal'ko 教授和Andre Geim爵士领导的团队发现了块状石墨中的量子霍尔效应(QHE),后者是由堆叠的石墨烯层组成的层状晶体。这是出乎意料的结果,因为量子霍尔效应仅在电子运动受限制的二维材料中才可能发生。他们还发现,即使石墨中的层数超过数百,该材料的性能也取决于其包含的奇数层还是偶数层的石墨烯。这项工作是了解石墨的基本特性的重要一步,而石墨的基本特性经常被误解。

盖姆评论说:“数十年来,研究人员一直在使用石墨作为'哲学家的石头',它可以传递所有可能和不可能发生的现象,包括室温下的超导性。” “我们的工作表明,至少在最纯净的形式下,这种材料原则上是可行的。”

在发表于《自然物理学》上的文章中,Mishchenko及其同事研究了由解理后的石墨晶体制成的器件,该器件基本上没有缺陷。研究人员通过将其封装在另一种高质量2D层状材料–六方氮化硼中来保留该材料的高质量。这使得几乎完美的薄石墨样品能够测量这种材料中的电子传输。

“这些测量非常简单。”该论文的第一作者尹俊博士解释说。“我们在设备上通过了一个小电流,施加了强磁场,然后测量了沿着设备和设备两端产生的电压,以提取纵向电阻率和霍尔电阻。”

进行理论探索的法尔科教授说:“当我们看到样品中的量子霍尔效应伴随着零纵向电阻率时,我们感到非常惊讶。它们足够厚,足以像普通的散装半金属那样严格限制QHE。”

研究人员说,QHE来自这样一个事实,即所施加的磁场迫使石墨中的电子“以减小的尺寸”运动,而电导率只允许一个方向。然后,在足够薄的样本中,由于形成了驻波,该一维运动可以被量化。这种材料从3D电子系统变成了0D电子系统,在磁场中具有离散的能级。

“数十年来,研究人员一直在使用石墨作为“哲学家的石头”,它可以传递所有可能和不可能发生的现象,包括室温下超导现象。我们的工作表明,至少在最纯净的形式下,这种材料原则上是可行的。

另一个大惊喜是该QHE对偶数/奇数个石墨烯层非常敏感。石墨中的电子类似于石墨烯中的电子,并具有两种“味道”(称为谷)。由两种不同风味的电子形成的驻波位于石墨的偶数或奇数层上。在具有偶数层的薄膜中,偶数层和奇数层的数目相同,因此不同风味的驻波的能量重合。

然而,在奇数层的电影中情况就不同了,因为偶数和奇数层的数目不同,因为总会有一个额外的奇数层。这导致不同风味的驻波的能级相对于彼此移动,并且意味着这些样品的QHE能隙减小。对于数百层厚的石墨,这种现象甚至持续存在。

出乎意料的发现还不止于此:研究人员还观察到了温度低于0.5 K时薄石墨中的分数QHE。分数QHE是电子之间强烈相互作用的结果。这些相互作用通常会导致重要的集体现象,如超导性,磁性和超流动性,使电荷载流子表现为粒子,其电荷仅为电子的几分之一。

Mishchenko说:“我们观察到的大多数结果都可以使用简单的单电子模型来解释,但是看到分数QHE可以告诉我们,情况并非如此简单。” “在高磁场和低温下,我们的石墨样品中存在大量的电子-电子相互作用,这表明多体物理学在这种材料中很重要。”

在过去的15年中,石墨烯一直是众人瞩目的焦点,因为它具有许多最高级的性能,而石墨由于其一层厚的后代而被推回了一点。米申科补充说:“我们现在回到这种旧材料上。从石墨烯研究,改进的实验技术(例如van der Waals组装技术)和更好的理论理解(再次从石墨烯物理学中)获得的知识,已经使我们能够发现我们制造的石墨装置中这种新型的QHE。

“我们的工作是进一步研究这种材料的新踏脚石,包括密度波,激子凝聚或维格纳结晶等多体物理学。”

曼彻斯特大学的研究人员说,他们现在计划利用他们的薄石墨样品与材料一样完美的事实,探索所有这些现象和理论预测。

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weinxin
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