研究揭示了雙層石墨烯中的奇異量子態(tài)

來自布朗大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明了雙層疊層石墨烯(一種二維納米材料)中出現(xiàn)的以前未知的物質(zhì)狀態(tài)。這些被稱為分數(shù)量子霍爾效應(yīng)的新狀態(tài)來自石墨烯層內(nèi)部和之間的電子的復(fù)雜相互作用。

“研究結(jié)果表明，將二維材料緊密地堆疊在一起會產(chǎn)生全新的物理特性，”布朗的物理學(xué)助理教授賈莉說，他在哥倫比亞大學(xué)的一名博士后工作，與物理學(xué)教授科里迪恩合作和機械工程教授Jim Hone。“在材料工程方面，這項工作表明，這些分層系統(tǒng)可以用于創(chuàng)造利用這些新量子霍爾狀態(tài)的新型電子設(shè)備。”

重要的是，哥倫比亞工程公司機械工程教授Hone，Wang Fong-Jen說，其中幾個新的量子霍爾國家“可能在制造容錯量子計算機時很有用”。

當在與電流垂直的方向上將磁場施加到導(dǎo)電材料時，霍爾效應(yīng)出現(xiàn)。磁場使電流偏轉(zhuǎn)，在橫向產(chǎn)生電壓，稱為霍爾電壓?；魻栯妷旱膹姸入S著磁場強度的增加而增加。霍爾效應(yīng)的量子版本最初是在1980年在低溫和強磁場下進行的實驗中發(fā)現(xiàn)的。實驗表明，霍爾電壓不是隨著磁場強度平滑地增加，而是以逐步(或量化)的方式增加。這些步驟是自然基本常數(shù)的整數(shù)倍，并且完全獨立于實驗中使用的材料的物理組成。該發(fā)現(xiàn)被授予1985年諾貝爾物理學(xué)獎。

幾年后，研究人員在接近絕對零度且具有非常強的磁場的溫度下工作，發(fā)現(xiàn)了新型的量子霍爾態(tài)，其中霍爾電壓中的量子步長對應(yīng)于分數(shù)，因此稱為分數(shù)量子霍爾效應(yīng)。分數(shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在1998年獲得了另一個諾貝爾獎。理論家后來認為分數(shù)量子霍爾效應(yīng)與稱為復(fù)合費米子的準粒子的形成有關(guān)。在這種狀態(tài)下，每個電子與一定量的磁通量結(jié)合形成復(fù)合費米子，其攜帶一部分電子電荷，從而產(chǎn)生霍爾電壓的分數(shù)值。

復(fù)合費米子理論成功地解釋了在單量子阱系統(tǒng)中觀察到的無數(shù)現(xiàn)象。這項新研究使用雙層石墨烯來研究當兩個量子阱靠近時會發(fā)生什么。理論認為兩層之間的相互作用會產(chǎn)生一種新型的復(fù)合費米子，但這在實驗中從未被觀察到。

在實驗中，該團隊在哥倫比亞大學(xué)多年的工作基礎(chǔ)上，提高了石墨烯設(shè)備的質(zhì)量，完全采用原子級平面二維材料制造超潔凈設(shè)備。該結(jié)構(gòu)的核心由兩個石墨烯層組成，所述兩個石墨烯層由作為絕緣屏障的六方氮化硼薄層隔開。雙層結(jié)構(gòu)由六方氮化硼作為保護絕緣體封裝，石墨作為導(dǎo)電柵極，以改變溝道中的電荷載流子密度。

“再一次，石墨烯令人難以置信的多功能性使我們能夠?qū)⒃O(shè)備結(jié)構(gòu)的界限推向前所未有的水平。” 哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授迪恩說。“我們制作這些設(shè)備的精確性和可調(diào)性現(xiàn)在使我們能夠探索最近被認為完全無法訪問的整個物理領(lǐng)域。”

然后石墨烯結(jié)構(gòu)暴露在強磁場中 - 比地球磁場強數(shù)百萬倍。該研究產(chǎn)生了一系列分數(shù)量子霍爾態(tài)，其中一些與復(fù)合費米子模型表現(xiàn)出極好的一致性，還有一些從未被預(yù)測或看到過。

“除了層間復(fù)合費米子之外，我們還觀察到復(fù)合費米子模型中無法解釋的其他特征，”該報的共同第一作者，哥倫比亞大學(xué)的博士后研究員施勤輝說。“更仔細的研究表明，令我們驚訝的是，這些新狀態(tài)是由復(fù)合費米子之間的配對造成的。相鄰層之間和同一層內(nèi)的配對相互作用產(chǎn)生了各種新的量子現(xiàn)象，使得雙層石墨烯成為令人興奮的平臺學(xué)習(xí)。”

“特別感興趣，”Hone說，“有幾個新的州有可能存在非阿貝爾波函數(shù) - 這些狀態(tài)與傳統(tǒng)的復(fù)合費米子模型不太一致。” 在非阿貝爾狀態(tài)下，電子相對于彼此保持其過去位置的“記憶”。這有助于實現(xiàn)不需要糾錯的量子計算機，這是目前該領(lǐng)域的主要絆腳石。

“這是30年來非阿貝爾國家的第一批新候選人，”迪恩說。“看到我們的實驗中出現(xiàn)了新物理，真的很令人興奮。”

該研究的標題是“雙層石墨烯中復(fù)合費米子的配對狀態(tài)”。