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物理学家在双层石墨烯中发现新的量子效应
       德克萨斯大学达拉斯分校的理论家和德国的同事们首次在一种非常简单的材料中观察到了一种称为量子反常霍尔效应的罕见现象。以前的实验仅在复杂或精致的材料中检测到它。

 

自然科学与数学学院物理学副教授 Fan Zhang 博士是 10 月 6 日发表在《Nature》杂志上的一项研究的作者,该研究展示了双层石墨烯的奇异行为,这是一种天然存在的双原子,一层薄薄的碳原子排列成两个堆叠在一起的蜂窝状晶格。
量子霍尔效应是一种宏观现象,其中材料中的横向电阻以逐步的方式通过量化值发生变化。 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,通过电子之间相互作用产生的轨道铁磁性。这种行为称为量子反常霍尔效应。“之前研究罕见的量子反常霍尔效应时,研究的材料很复杂,”zhang说。“相比之下,我们的材料相对简单,因为它只由两层石墨烯组成,并且是自然形成的。”
 
 
该研究的作者、哥廷根大学I.物理研究所和慕尼黑路德维希马克西米利安大学教授 Thomas Weitz 博士说:“此外,我们发现尽管碳不应该具有磁性或铁电体,我们观察到与两者一致的实验特征。”
在 2011 年发表的研究中,理论物理学家zhang预测,双层石墨烯将具有五个相互竞争的基态,这是材料在接近绝对零(-273.15 摄氏度或-459.67 华氏度)的温度下发生的最稳定的状态。 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将有五个状态族相互竞争成为基态。 过去曾观察到四个。 这是最后一个,也是最具挑战性的观察,”zhang说。
 
 
在《Nature》文章中描述的实验中,研究人员在这第五族中发现了八种不同的基态,它们同时表现出量子反常霍尔效应、铁磁性和铁电性。“我们还表明,通过施加小的外部电场和磁场以及控制电荷载流子的符号,我们可以在这个八位字节的基态中进行选择,” Weitz说。将双层石墨烯的电子特性控制到如此高的程度的能力可能使其成为未来低耗散量子信息应用的潜在候选者,尽管zhang和Weitz表示他们主要感兴趣的是揭示“基础物理学的美丽”。“我们预测、观察、阐明和控制了一个量子异常霍尔八位组,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——可以在双层石墨烯中共存甚至合作,”zhang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,这是惊人的和前所未有的。”
《Nature》文章的其他作者包括 UT 达拉斯物理学博士生 Tianyi Xu 以及来自哥廷根大学和慕尼黑路德维希马克西米利安大学的研究人员。zhang的研究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。
 
摘自《The Graphene Council》网站
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