扭曲的二維材料實驗發現電子的集體行為

2020-10-07 環球創新智慧

導讀

據美國華盛頓大學官網近日報導，該校領導的研究團隊報告稱，精心構造的堆疊石墨烯表現出高度關聯的電子特性，並且這種集體行為很可能與奇異的磁狀態相關。

背景

科學家有著遠大的目標：治療疾病、探索遙遠的世界、清潔能源革命。在物理與材料研究領域，這些遠大目標中的一部分就是製造聽上去平凡但卻具有非凡特性的物體：傳輸電力而不損失任何能量的電線，或者執行當今計算機無法完成的複雜計算的量子計算機。使我們逐漸向著這些目標邁進的新興實驗臺就是二維材料，即單層原子厚度的材料薄片。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

二維材料，是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度上自由運動的材料。除石墨烯外，二維材料還包括六方氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。二維材料具有獨特的電氣、光學以及機械特性，例如良好的導電性、柔韌性以及強度，從而有望應用於雷射器、光伏電池、傳感器和醫療電子等領域。

創新

在一篇發表在《自然·物理學》（Nature Physics）雜誌上的論文中，美國華盛頓大學領導的研究團隊報告稱，精心構造的堆疊石墨烯（碳的二維形式）能表現出高度關聯的電子特性。團隊也發現，這種集體行為很可能與奇異的磁狀態相關。

華盛頓大學物理學以及材料科學與工程助理教授、華盛頓大學清潔能源研究所研究員、論文高級合著者馬太·楊科維茨（Matthew Yankowitz）表示：「我們創造出一種實驗裝置，使我們能以許多令人振奮的新方法在石墨烯層中操縱電子。」

楊科維茨與論文高級合著者、華盛頓大學物理學以及材料科學與工程教授徐曉東（音譯：Xiaodong Xu）一起領導這個團隊。徐曉東也是華盛頓大學分子工程與科學研究所、華盛頓大學納米工程系統研究所以及華盛頓大學清潔能源研究所的研究員。

技術

因為二維材料只有單個原子的厚度，所以原子之間只有二維形式的聯繫，而像電子這樣的粒子只能像棋盤上的棋子一樣移動：前後、左右、對角，而不能上下移動。這些限制賦予了二維材料某些特性，這些特性是它們的三維對應物所缺乏的，科學家們一直在探索不同材料的二維薄片，以描述和理解這些有用的潛在特性。

但是過去十年來，像楊科維茨這樣的科學家們也開始將二維材料分層堆放，就像一堆薄餅那樣，發現如果分層堆放並以特殊角度旋轉，以及暴露在極低溫度下，這些層會表現出讓人意料不到的奇異特性。

下圖所示：兩片雙層石墨烯薄片堆疊以及旋轉後出現的莫列波紋圖案。具有磁序的關聯電子狀態，出現在以小角度扭轉的石墨烯雙層中，可通過門控以及電場來調節。

（圖片來源：Matthew Yankowitz）

華盛頓大學的團隊致力於研究雙層石墨烯（自然堆疊在一起的兩個石墨烯薄片）的構成要素。他們將一層堆疊在另一層之上（總共四層石墨烯），並扭轉它們以使雙層之間碳原子的布局稍微不對齊。之前的研究顯示，在石墨烯的單層或者雙層之間引入這些小扭轉角，會對它們的電子行為產生大影響。在跨越堆疊雙層的特殊電場配置以及電荷分布下，電子表現出高度關聯的行為。換句話說，它們在同一時間全部開始做同樣的事情，或者表現出同樣的特性。

扭曲的雙層石墨烯裝置的光學顯微圖像。（圖片來源：Matthew Yankowitz）

楊科維茨表示：「在這些情況下，描述單個電子的行為已經失去了意義，有意義的是所有的電子一起做什麼。」

華盛頓大學物理系的博士生、前清潔能源研究所的研究員、領導作者何明浩（音譯：Minhao He）表示：「這就像一個擠滿人的房間，任何一個人的行為變化都會引起其他人的類似變化。」

量子物理學可以解釋這些關聯特性，並且因為堆疊的雙層石墨烯具有高於每平方釐米10^12（或者說一兆）個電子的密度，大量電子表現出集體行為。

團隊設法在他們的實驗裝置中解開這些關聯狀態背後的秘密。在僅高於絕對零度幾度的溫度下，團隊發現他們將系統「調諧」成一種關聯的絕緣態，系統在這種狀態下是不導電的。在這些絕緣態附近，團隊發現了許多高度導電的狀態，看起來非常像超導狀態。

儘管近期其他的團隊報告過這些狀態，這些特徵的起因仍然是個謎。但是華盛頓大學的研究找到了可能的解釋。他們發現，這些狀態似乎是由電子的量子力學特性：「自旋」（一種角動量）所引起的。在關聯絕緣態附近的區域，他們發現所有的電子自發對齊地自旋。這可能表明，在靠近表現出關聯絕緣態的區域附近，一種鐵磁性（不是超導性）的形式正在出現，但是需要額外的實驗來驗證這一點。

價值

這些發現是開展二維材料實驗時許多驚喜發現中的最新案例。

徐教授表示：「我們在這方面研究中所做的大部分工作，就是嘗試創造、理解並控制新興的電子狀態，這些狀態要麼是關聯的，要麼是拓撲的，要麼二者兼備。未來對於這些狀態，我們有許多工作可以做，例如量子計算、新的能量採集裝置，或者新型傳感器。坦白地說，我們只有嘗試以後才能知道。」

與此同時，堆疊、雙層以及扭轉角有望繼續產生新的影響。

關鍵詞

石墨烯、量子、自旋

參考資料

【1】Minhao He, Yuhao Li, Jiaqi Cai, Yang Liu, K. Watanabe, T. Taniguchi, Xiaodong Xu, Matthew Yankowitz. Symmetry breaking in twisted double bilayer graphene. Nature Physics, 2020; DOI: 10.1038/s41567-020-1030-6

【2】https://www.washington.edu/news/2020/10/06/2d-materials-electron-collective/

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