物理学家在双层石墨烯中发现了新的量子效应

　　

   

   

德克萨斯大学达拉斯分校的物理学家们正在研究双分子层石墨烯的奇异行为，这是一种自然发生的双原子薄层碳原子，排列在两个蜂窝状晶格中堆叠在一起。德克萨斯大学达拉斯分校的理论家和德国的同事首次在双层石墨烯中观察到一种罕见的现象，称为量子反常霍尔效应。研究结果发表在2021年10月6日的《自然》杂志上。

资料来源:德克萨斯大学达拉斯分校

德克萨斯大学达拉斯分校的理论家和德国的同事首次在一种非常简单的材料中观察到一种罕见的现象，称为量子反常霍尔效应。以前的实验只在复杂或微妙的物质中发现过它。

风扇Zhang博士副教授物理自然科学和数学学院,是10月6日在《自然》杂志上发表这项研究的作者,研究表明双层石墨烯的奇异行为,这是一个自然发生的,两个atom薄层的碳原子排列在两个蜂巢晶格堆叠在一起。

量子霍尔效应是一种宏观现象，在这种现象中，材料中的横向电阻以量子化的方式逐步变化。它发生在低温和强磁场下的二维电子系统中。然而，在没有外部磁场的情况下，二维系统可以自发地产生自己的磁场，例如，通过电子间相互作用产生的轨道铁磁。这种行为称为量子反常霍尔效应。

“当之前研究稀有量子反常霍尔效应时，研究的材料是复杂的，”张说。“相比之下，我们的材料相对简单，因为它只是由两层石墨烯组成，而且是自然生成的。”

该研究的作者之一、G?ttingen大学的教授托马斯·韦茨博士说:“此外，我们发现，尽管碳不应该具有磁性或铁电性，但我们观察到的实验特征与这两种特性一致，这与我们的直觉非常相悖。”

在2011年发表的一项研究中，理论物理学家张预测，双层石墨烯将有五个相互竞争的基态，这是该材料在接近绝对零度(零下273.15摄氏度或零下459.67华氏度)的温度下最稳定的基态。这种状态是由电子的相互作用驱动的，电子的行为受量子力学和量子统计的支配。

“我们预测双层石墨烯中会有五种状态族，它们相互竞争成为基态。过去有四次被观察到。这是最后一个，也是最具挑战性的观测。”

在《自然》杂志文章中描述的实验中，研究人员发现了第五族中八个不同的基态，它们同时表现出量子反常霍尔效应、铁磁性和铁电性。

“我们还证明，我们可以通过施加小的外部电场和磁场，以及控制载流子的符号，在基态的八重体中进行选择，”Weitz说。

尽管Zhang和Weitz表示，他们主要感兴趣的是揭示“基础物理之美”，但能够如此高程度地控制双层石墨烯的电子特性，可能使其成为未来低耗散量子信息应用的潜在候选人。

“我们预测、观察、阐明和控制了一个量子反常霍尔八体，其中三种引人注目的量子现象——铁磁性、铁电性和零场量子霍尔效应——可以共存，甚至在双层石墨烯中相互合作，”张说。“现在我们知道，我们可以在这种简单的材料中统一铁磁性、铁电性和量子反常霍尔效应，这是令人惊讶和前所未有的。”

《自然》杂志这篇文章的其他作者包括达拉斯大学物理学博士生徐天义和G?ttingen大学和慕尼黑路德维希马克西米利安大学的研究人员。

张的研究是由美国陆军作战能力发展司令部的陆军研究实验室和国家科学基金会资助的。

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杂志

自然

DOI

10.1038 / s41586 - 021 - 03849 - w

方法的研究

实验研究

研究的主题

不适用

文章标题

双层石墨烯中轨道磁性驱动的量子反常霍尔八tet

文章出版日期

6 - 10月- 2021