科学家在石墨烯基材料中发现了新的准粒子族

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曼彻斯特大学的Andre Geim爵士和Alexey Berdyugin博士领导的一组研究人员在石墨烯超晶格中发现了一个新的准粒子家族,称为“布朗-扎克费米子”。

该团队通过将石墨烯层的原子晶格对准绝缘氮化硼片的原子晶格,从而显着改变了石墨烯片的性能,实现了这一突破。

这项研究是石墨烯-氮化硼超晶格多年来连续发展的成果,可以观察到称为霍夫施塔特蝴蝶的分形图案。今天(11月13日,星期五),研究人员报告了在施加磁场的情况下,此类结构中粒子的另一令人惊讶的行为领域。

“众所周知,在零磁场中,电子沿直线运动,如果施加磁场,它们将开始弯曲并沿圆周运动。”进行实验工作的朱利安·巴里尔(Julien Barrier)和Piranavan Kumaravadivel博士解释说。

“在与氮化硼对准的石墨烯层中,电子也开始弯曲,但是如果将磁场设置为特定值,电子将再次沿直线轨迹移动,就好像不再有磁场一样!”

“这种行为与教科书物理学完全不同。” Piranavan Kumaravadivel博士补充道。

“我们将这种引人入胜的行为归因于高磁场下新型准粒子的形成,” Alexey Berdyugin博士说。尽管具有极高的磁场,这些准粒子仍具有自己的独特性能和极高的迁移率。”

正如在《自然通讯》上发表的那样,该作品描述了电子在超高质量石墨烯超晶格中的行为,并为霍夫施塔特蝴蝶的分形特征修改了框架。在过去十年中,石墨烯器件制造和测量技术的根本改进使这项工作成为可能。

Julien解释说:“准粒子的概念可以说是凝聚态物理学和量子多体系统中最重要的概念之一。它是由理论物理学家列夫·兰道(Lev Landau)在1940年代引入的,它把集体效应描述为“单粒子激发”。屏障“它们被用于许多复杂的系统中,以解决多体效应。”

直到现在,人们仍以狄拉克费米子(Dirac fermion)来思考石墨烯超晶格中集体电子的行为,狄拉克费米子具有类似于光子的独特性质(无质量的粒子),并在高磁场下复制。但是,这并不能说明某些实验特征,例如状态的附加简并性,也不符合该状态下准粒子的有限质量。

作者提出“布朗-扎克费米子”是在强磁场下存在于超晶格中的准粒子族。它的特征是可以直接测量的新量子数。有趣的是,在较低的温度下工作使他们能够通过超低温下的交换相互作用来提升简并性。

“在磁场的作用下,石墨烯中的电子开始以量化的轨道旋转。对于布朗-扎克费米子,我们设法在高达16T(500,000倍地球磁场)的强磁场下恢复了几十微米的直线轨迹。在特定条件下,弹道准粒子不会感觉到有效的磁场。” Kumamaravadivel博士和Berdyugin博士解释说。

在电子系统中,迁移率定义为粒子在施加电流时行进的能力。在制造诸如石墨烯之类的2D系统时,高迁移率一直是圣杯,因为此类材料将具有其他特性(整数和分数量子霍尔效应),并有可能允许制造超高频晶体管,这是核心组件计算机处理器

“在这项研究中,我们制备了具有非常高纯度的超大型石墨烯器件”。Kumaravadivel博士说。这使我们获得了几百万cm²/ Vs的迁移率,这意味着粒子将直接在整个设备上传播而不会发生散射。重要的是,这不仅是石墨烯中经典狄拉克费米子的情况,而且工作中报道的布朗-扎克费米子也是如此。

这些Brown-Zak费米子定义了新的金属态,这些态对于任何超晶格系统都是通用的,而不仅是石墨烯,还为其他基于2D材料的超晶格中新的凝聚态物理问题提供了场所。

朱利安·巴里尔(Julien Barrier)补充说:“这一发现对于电子传输基础研究当然很重要,但是我们相信,在强磁场下理解新型超晶格器件中的准粒子会导致新型电子器件的发展。”

高迁移率意味着用这种器件制成的晶体管可以在更高的频率下工作,从而使用这种材料制成的处理器每单位时间可以执行更多的计算,从而可以实现更快的计算机速度。施加磁场通常会降低迁移率,并使此类设备无法在某些应用中使用。布朗扎克费米子在高磁场下的高迁移率为在极端条件下运行的电子设备开辟了新的前景。



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