諾獎(jiǎng)得主團(tuán)隊(duì)在石墨烯研究上有新發(fā)現(xiàn)，可促進(jìn)電子器件發(fā)展

近日，由兩位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者領(lǐng)導(dǎo)的曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在石墨烯基超晶格中發(fā)現(xiàn)了一種新的準(zhǔn)粒子家族 “布朗 - 扎克費(fèi)米子”（Brown-Zak fermions）。該研究以《石墨烯超晶格中布朗 - 扎克費(fèi)米子的遠(yuǎn)距離彈道傳輸》為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

論文作者包括 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 這兩位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。 據(jù)悉，石墨烯是一種只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。此前，Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，借此共同獲得 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，Andre 還是世界上唯一一個(gè)同時(shí)獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)和搞笑諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。 這項(xiàng)工作在石墨烯基材料中發(fā)現(xiàn)了新的準(zhǔn)粒子家族，這些非同尋常的粒子被稱(chēng)為 Brown-Zak 費(fèi)米子，它們具有超高頻晶體管，有可能實(shí)現(xiàn) 2D 材料重大突破，使用這種材料制成的處理器可以在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的計(jì)算，從而使計(jì)算機(jī)速度更快。

圖 | 相關(guān)論文發(fā)布于最新一期的 Nature Communications 新的準(zhǔn)粒子家族：“布朗 - 扎克費(fèi)米子” 該團(tuán)隊(duì)通過(guò)將石墨烯層的原子晶格與絕緣氮化硼片的原子晶格對(duì)齊，顯著地改變了石墨烯片的特性，實(shí)現(xiàn)了這一突破。 這項(xiàng)研究是繼多年來(lái)石墨烯/氮化硼超晶材料連續(xù)取得進(jìn)展后，得以觀(guān)察到一種被稱(chēng)為霍夫斯塔德蝶（Hofstadter's butterfly）的分形模式，11 月 13 日研究人員報(bào)告了這種結(jié)構(gòu)中的粒子在外加磁場(chǎng)下的另一種非常令人驚訝的行為。

在零磁場(chǎng)中，電子以直線(xiàn)軌跡運(yùn)動(dòng)，如果你施加磁場(chǎng)，電子就會(huì)開(kāi)始彎曲，并以圓周運(yùn)動(dòng)。 研究人員在已經(jīng)與氮化硼對(duì)齊的石墨烯層中，電子也開(kāi)始彎曲，但如果你將磁場(chǎng)設(shè)定在特定的數(shù)值，電子又會(huì)以直線(xiàn)軌跡移動(dòng)，就好像沒(méi)有磁場(chǎng)了一樣，這種行為違背了教科書(shū)上物理學(xué)。 研究人員將這種奇特的行為歸功于高磁場(chǎng)下新型準(zhǔn)粒子的形成。這些準(zhǔn)粒子有自己獨(dú)特的特性，盡管磁場(chǎng)極高，但卻有特別高的遷移率。 如本次論文所述，這項(xiàng)研究描述了電子在超高質(zhì)量石墨烯超晶格中的行為，并對(duì)霍夫斯塔德蝶的分形特征修訂了框架。在過(guò)去十年中，石墨烯器件制造和測(cè)量技術(shù)的根本性改進(jìn)使得這項(xiàng)工作成為可能。 霍夫施塔特蝴蝶

在凝聚態(tài)物理學(xué)中，霍夫施塔特蝴蝶描述了晶格磁場(chǎng)中非相互作用二維電子的光譜特性。它在整數(shù)量子霍爾效應(yīng)理論和拓?fù)淞孔訑?shù)理論中起著重要作用。這種光譜的分形、自相似性質(zhì)由霍夫施塔特在 1976 年的博士論文中提出，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的早期案例之一。 準(zhǔn)粒子的概念是凝聚態(tài)物理學(xué)和量子多體系統(tǒng)中最重要的概念之一。它由理論物理學(xué)家 Lev Landau 在 20 世紀(jì) 40 年代提出的，用來(lái)描述集體效應(yīng)為 “單粒子激發(fā)”，其被用于一些復(fù)雜系統(tǒng)中，用以解釋多體效應(yīng)。 截止目前，石墨烯超晶格中集體電子的行為被認(rèn)為是狄拉克費(fèi)米子（Dirac fermion），這種準(zhǔn)粒子具有類(lèi)似光子（無(wú)質(zhì)量的粒子）的獨(dú)特性質(zhì)，在高磁場(chǎng)下可以復(fù)制。

然而，這并不能解釋一些實(shí)驗(yàn)特征，例如狀態(tài)的附加簡(jiǎn)并性，也不符合這種狀態(tài)下準(zhǔn)粒子的有限質(zhì)量。 論文中提出” 布朗?扎克費(fèi)米子” 是強(qiáng)磁場(chǎng)下存在于超晶格中的準(zhǔn)粒子族。其特點(diǎn)是有一個(gè)新的量子數(shù)，可以直接測(cè)量。有趣的是，在較低的溫度下工作使他們能夠通過(guò)超低溫下的交換相互作用來(lái)提升簡(jiǎn)并性。 施加磁場(chǎng)的情況下，石墨烯中的電子開(kāi)始以量子化的軌道旋轉(zhuǎn)。對(duì)于布朗 - 扎克費(fèi)米子，實(shí)驗(yàn)人員設(shè)法在高達(dá) 16T（地球磁場(chǎng)的 50 萬(wàn)倍）的高磁場(chǎng)下恢復(fù)了數(shù)十微米的直線(xiàn)軌跡。 但是，如果將磁場(chǎng)設(shè)置為特定值，電子將再次沿直線(xiàn)軌跡移動(dòng)，就好像不再有磁場(chǎng)一樣，這種行為與教科書(shū)中的物理學(xué)完全不同。

超大型石墨烯器件 在電子系統(tǒng)中，遷移率被定義為一個(gè)粒子在應(yīng)用電流時(shí)的移動(dòng)能力。在制造石墨烯等二維系統(tǒng)時(shí)，高遷移率長(zhǎng)期以來(lái)一直科研界所追求的，因?yàn)檫@種材料將呈現(xiàn)額外的特性（整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)），并有可能允許制造超高頻晶體管，即計(jì)算機(jī)處理器的核心部件。 研究人員表示，為了該項(xiàng)研究，他們制備了純度非常高的特大型石墨烯器件。這使其能夠?qū)崿F(xiàn)幾百萬(wàn)厘米 2/Vs 的遷移率，這意味著粒子將直接穿過(guò)整個(gè)裝置而不會(huì)散射。重要的是，這不僅是石墨烯中經(jīng)典狄拉克費(fèi)米子的情況，而且也實(shí)現(xiàn)了研究中報(bào)告的布朗 - 扎克費(fèi)米子。 這些布朗 - 扎克費(fèi)米子定義了新的金屬態(tài)，這種金屬態(tài)通用于任何超晶格系統(tǒng)，而不僅僅是石墨烯，并為其他基于二維材料的超晶格中新的凝聚態(tài)物理問(wèn)題提供了一個(gè)思路。 這些發(fā)現(xiàn)于電子傳輸?shù)幕A(chǔ)研究很重要，但研究人員相信，在高磁場(chǎng)下了解新型超晶格器件中的準(zhǔn)粒子可以導(dǎo)致新電子器件的發(fā)展。

高遷移率意味著用這種器件制成的晶體管可以在更高的頻率下工作，使用這種材料制成的處理器可以在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的計(jì)算，從而使計(jì)算機(jī)速度更快。應(yīng)用磁場(chǎng)通常會(huì)降低遷移率，使這種器件無(wú)法用于某些應(yīng)用。可以說(shuō)，布朗 - 扎克費(fèi)米子在高磁場(chǎng)下的高遷移率為在極端條件下工作的電子器件開(kāi)辟了新前景。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：石墨烯之父、“諾獎(jiǎng)得主” 團(tuán)隊(duì)重磅發(fā)現(xiàn)：“截然不同” 的物理學(xué)，可促成新電子器件的開(kāi)發(fā)

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