有兩個諾獎者的重磅團隊:在石墨烯基材料中發現了新的準粒子族

2021-01-12 量子認知

石墨烯是一種只有一個碳原子厚度的二維材料。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

現在，由這兩位諾貝爾物理學獎獲得者領導的曼徹斯特大學的研究團隊，又在石墨烯基超晶格中，令人驚訝地發現了一種新的準粒子家族，稱為「布朗-扎克費米子」（Brown-Zak fermions）。該最新研究論文，題為：「石墨烯超晶格中布朗-扎克費米子的遠距離彈道傳輸」，剛剛發表在《自然通訊》上。論文作者中，同時包括了這兩位諾貝爾物理學獎獲得者。

安德烈·蓋姆（A. K. Geim），俄羅斯裔英國藉的物理學家，因為「在二維石墨烯材料的開創性實驗」，而與其學生、也是俄羅斯裔英國藉的物理學家、康斯坦丁·諾沃肖洛夫（K. S. Novoselov），一同獲2010年諾貝爾物理學獎，並於2013年獲得科普利獎章，現為英國國家石墨烯研究院（National Graphene Institute）、曼徹斯特介觀科學與納米科技研究中心主任。

該研究團隊通過將石墨烯層的原子晶格與絕緣氮化硼片的原子晶格對齊，從而顯著改變了石墨烯片的性能，實現了這一突破。這項研究遵循了該研究團隊多年來對石墨烯-氮化硼超晶格研究的連續發展，從而可以觀察到如下圖所示的稱為霍夫斯塔特蝴蝶的分形圖案。

在凝聚態物理學中，霍夫施塔特蝴蝶，英語：Hofstadter's butterfly，描述了晶格磁場中非相互作用二維電子的光譜特性。這種光譜的分形、自相似性質由霍夫施塔特在1976年的博士論文中提出，故此名，是計算機圖形學的早期案例之一。它反映了如無窮的蝴蝶群飛舞的圖形的視覺相似之處。霍夫施塔特蝴蝶在整數量子霍爾效應理論和拓撲量子數理論中起著重要作用。

霍夫施塔特蝴蝶

科學家在論文中報告了在施加磁場的情況下，結構中的這種粒子的令人驚訝的行為。論文第一作者、進行實驗工作的朱利安·巴裡爾（Julien Barrier）解釋說，「眾所周知，在零磁場中，電子沿直線運動，如果施加磁場，它們將開始彎曲並沿圓周運動。」「在與氮化硼對準的石墨烯層中，電子也開始彎曲。但是，如果將磁場設置為特定值，電子將再次沿直線軌跡移動，就好像不再有磁場一樣！」「這種行為與教科書中的物理學完全不同。」

「我們將這種引人入勝的行為歸因於高磁場下新型準粒子的形成。」儘管具有極高的磁場，這些準粒子仍具有其獨特的性能和極高的遷移率。」論文描述了電子在超高質量石墨烯超晶格中的行為，並為霍夫施塔特蝴蝶的分形特徵修改了框架。在過去十年中，石墨烯器件製造和測量技術的根本改進使這項工作成為可能。

巴裡爾表示，「準粒子的概念可以說是凝聚態物理學和量子多體系統中最重要的概念之一。它是由理論物理學家列夫·蘭道（Lev Landau）在1940年代引入的，它把集體效應描述為『一個粒子的激發』。「它們被用於許多複雜的系統中，以解決多體效應。」

直到現在，人們仍以狄拉克費米子（Dirac fermion）來思考石墨烯超晶格中集體電子的行為，狄拉克費米子具有類似於光子的獨特性質（無質量的粒子），並在高磁場下複製。但是，這並不能說明某些實驗特徵，例如狀態的附加簡併性，也不符合該狀態下準粒子的有限質量。

論文提出的「布朗-扎克費米子」是存在於強磁場下超晶格中的準粒子族。它的特徵是可以直接測量的新量子數。有趣的是，在較低的溫度下工作使它們能夠通過超低溫下的交換相互作用來提升簡併性。

「在磁場的作用下，石墨烯中的電子開始以量化的軌道旋轉。對於布朗-扎克費米子，我們設法在高達16T（50萬倍地球磁場）的強磁場下，恢復了幾十微米的直線軌跡。在特定條件下，彈道準粒子不會感覺到有效的磁場。」

在電子系統中，遷移率定義為粒子在施加電流時行進的能力。在製造例如石墨烯的二維系統時，高遷移率一直是努力追求的目標，因為此類材料將具有整數和分數量子霍爾效應的其它特性，而可能製造超高頻電晶體，這是計算機處理器的核心組件。

研究人員說，「在這項研究中，我們製備了具有非常高純度的超大型石墨烯器件」。這使我們獲得了幾百萬cm/ Vs的遷移率，這意味著粒子將直接在整個設備上傳播而不會發生散射。重要的是，這不僅是石墨烯中經典狄拉克費米的情況，而且對於論文中所報導的布朗-扎克費米子也是如此。

這些布朗-扎克費米子定義了新的金屬態，這些態對於任何超晶格系統都是通用的，而不僅是石墨烯，還為其他基於二維材料的超晶格中新的凝聚態物理問題提供了基礎。

巴裡爾補充說：「這一發現對於電子傳輸的基礎研究當然很重要，但是我們相信，在強磁場下理解新型超晶格器件中的準粒子會導致新型電子器件的發展。」如圖所示優質石墨烯超晶格及其傳輸性能。

高遷移率意味著用這種設備製成的電晶體可以在更高的頻率下工作，從而使用這種材料製成的處理器每單位時間可以執行更多的計算，從而可以實現更快的計算機速度。施加磁場通常會降低遷移率，並使此類設備無法在某些應用中使用。布朗-扎克費米子在高磁場下的高遷移率，為在極端條件下工作的電子設備開闢了新的前景。

參考：Long-range ballistic transport of Brown-Zak fermions in graphene superlattices. Nature Communications, Published: 13 November 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19604-0

#石墨烯#

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