研究揭示了双层石墨烯的奇异量子态
研究揭示了双层石墨烯的奇异量子态
来自布朗大学和哥伦比亚大学的研究人员已经证明，在二维纳米材料石墨烯的双层堆叠中，出现了以前未知的物质状态。这些新的状态被称为分数量子霍尔效应，是由石墨烯层内外电子的复杂相互作用产生的。
布朗大学物理学助理教授李佳(音译)说:“研究结果表明，将二维材料紧密堆放在一起会产生全新的物理效果。”“就材料工程学而言，这项研究表明，这些分层系统可以创造出利用这些量子霍尔态的新型电子设备。”
这项研究发表在《自然物理》杂志上。重要的是，哥伦比亚大学工程学院机械工程学王凤仁教授Hone说，这些新的量子霍尔态中的一些“可能在制造容错量子计算机方面有用”。
当磁场垂直于电流方向作用于导电材料时，就会产生霍尔效应。磁场使电流发生偏转，产生横向电压，称为霍尔电压。霍尔电压强度随磁场强度的增大而增大。量子霍尔效应最早是在1980年进行的低温和强磁场实验中发现的。
实验表明，霍尔电压不是随着磁场强度的增加而平稳地增加，而是呈阶梯(或量子化)方式增加。这些步骤是自然基本常数的整数倍，完全独立于实验所用材料的物理组成。这一发现被授予1985年诺贝尔物理学奖。
几年后，研究人员在接近绝对零度的温度和很强的磁场下发现了量子霍尔态的新类型，其中霍尔电压中的量子步长对应于分数，因此被称为分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应的发现在1998年获得了另一个诺贝尔奖。理论学家后来提出，分数量子霍尔效应与被称为复合费米子的准粒子的形成有关。在这种状态下，每个电子与一个磁通量子结合，形成一个复合费米子，携带一个电子电荷的一部分，从而产生霍尔电压的分数值。
复合费米子理论已经成功地解释了在单个量子阱系统中观察到的无数现象。这项新研究使用双层石墨烯来研究两个量子阱靠近时会发生什么。理论认为两层之间的相互作用将产生一种新型的复合费米子，但在实验中从未见过。
在实验中，该团队在哥伦比亚大学多年的工作基础上，改进了石墨烯器件的质量，完全用原子平面二维材料制作了超清洁器件。该结构的核心由两层石墨烯层组成，石墨烯层之间由一薄层六角形氮化硼作为绝缘屏障隔开。双层结构采用六方氮化硼作为保护绝缘体封装，石墨作为导电栅改变通道内电荷载流子密度。
哥伦比亚大学物理学教授迪恩说:“石墨烯惊人的多功能性再一次让我们突破了以往设备结构的极限。”“我们制造这些设备的精确性和可调性，现在让我们可以 探索 整个物理学领域，而这个领域最近被认为是完全不可企及的。”
石墨烯结构随后暴露在强磁场中――比地球磁场强数百万倍。这项研究产生了一系列分数量子霍尔态，其中一些与复合费米子模型非常吻合，而另一些则从未被预测或发现。
“除了层间复合费米子，我们还发现了复合费米子模型中无法解释的其他特征，”该论文的第一作者之一、哥伦比亚大学博士后施千惠(音译)说。“一项更仔细的研究显示，令我们惊讶的是，这些新状态是由复合费米子之间的配对产生的。相邻层与同一层之间的配对相互作用产生了各种新的量子现象，使得双层石墨烯成为一个令人兴奋的研究平台。”
“特别有趣的是，”Hone说，“有几个新的状态有可能承载非阿贝尔波函数――这些状态不太符合传统的复合费米子模型。”在非阿贝尔态中，电子保持着一种对它们过去相对位置的“记忆”。这有可能使量子计算机不需要纠错，而纠错目前是该领域的一个主要障碍。
文章转载自公众号：石墨烯雷达
什么是石墨烯？
石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，于2004年问世，发现石墨烯的英国曼彻斯特大学诺沃肖洛夫教授凭着这一重大发现而于2010年获得诺贝尔物理学奖！
石墨烯被誉为“黑金”“新材料之王”，根据已知的信息，石墨烯的厚度是头发丝的20万分之一，强度是钢的200倍，是世界上已知的最轻最薄、最强的材料。科学家预言，石墨烯将“改变21世纪”。
甚至石墨烯技术极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。一旦石墨烯技术能应用到商业中，将取代煤炭与石油天然气，以及硅，成为提供人类生活所需大多数发电能源的来源！这无疑将彻底颠覆当前的大量产业！
这标志着不久的将来，所有依靠生产石油赚取收入的国家将面临经济大灾难，石油将无人问津，油价将跌落谷底，中东许多产油国将有可能排队破产！
石墨时代的说法来自于石墨烯的产生，这是一种新型的纳米材料，2004年，石墨烯被制造出来，两位科学家因此获得2010年的诺贝尔奖。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，同时也是已知的世上电阻率最小的材料，常温下其电子迁移率要比硅晶体高很多。对于大量使用硅原料的IT产业具有重要意义。
据外媒报道，石墨烯具备颠覆当前所有电子设备的潜质，是“材料的未来和电子行业的救命稻草”。包括三星电子和苹果这样的全球消费电子巨头也开始在石墨烯技术专利中展开角逐。
报道称，石墨烯是由碳原子以特殊结构排列而成，比其他任何材料都具备更好的导热、导电特性。更令人称奇的是，它不仅是世界上最硬的材料，而且柔韧性也最强。厚度只有一层碳原子的石墨烯被称为“奇迹材料”。
石墨烯可以变革电子行业，催生灵活多变的设备、超动力的量子计算机、电子服装及可与身体细胞交流的计算机。
由于石墨烯可以让电子产品的屏幕更清晰且具备柔性特质，这些产品将比以往采用硅材料的设备更薄、更快、更便宜。另外，续航时间长的电池也可具备防水性能。
石墨烯可浸入液体不被氧化，这一点与其他导电材料完全不同。
石墨烯研究正在向让电子产品与生物系统融合的方向转变。换句话说，石墨烯产品可以植入。
石墨烯是将如同苯环一样、由6个碳元素组成的六角形在二维平面上相互连接形成的六连环薄片。也叫石墨烯薄片。将这种薄片卷成筒状就是碳纳米管，多层层叠就是石墨。 石墨烯薄片的上下有π电子离域。就石墨而言，电子通过与层叠的相邻薄片的π电子重叠，进一步离域，趋于稳定。就碳纳米管而言，石墨烯薄片呈圆筒构造，变成单层时，其曲率进一步减小，允许的电子状态只有几个，因此具备量子效应。 由此可见，石墨烯是介于石墨和碳纳米管之间的材料，不过近年石墨烯本身备受关注。从2006年开始研究论文急剧增加，作为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，在美国研究尤其活跃。
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