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新量子现象的发现能揭示石墨烯电子的基本极限吗?

发布时间:2019-08-13 17:50:05  来源:网络
核心提示:曼彻斯特大学、诺丁汉大学和拉夫堡大学的科学家们发现了一种量子现象,这有助于理解石墨烯电子的基本极限。这项发表在自然通讯杂志上的研究,描述了单原子片状石墨烯中的电

曼彻斯特大学、诺丁汉大学和拉夫堡大学的科学家们发现了一种量子现象,这有助于理解石墨烯电子的基本极限。这项发表在自然通讯杂志上的研究,描述了单原子片状石墨烯中的电子如何分散构成六角晶格的振动碳原子。通过施加垂直于石墨烯平面的磁场,携带电流的电子被迫进入一个封闭的回旋轨道。在纯石墨烯中,电子脱离轨道的唯一方法是在散射事件中通过声子反弹回来。

这些声子是粒子状的能量和动量光束,是与振动碳原子相关的声波量子。当石墨烯晶体在极低的温度下加热时,声子的数量就会增加。通过在石墨烯片上传递一小部分电流,研究小组能够准确地测量电子和声子在散射事件中传递的能量和动量。

我们发现了两种类型的声子散射电子:横向声子(ta),其中碳原子垂直于声子传播并在波方向振动(有点类似于水面上的表面波)和纵向声子(la),其中碳原子沿着声子和波方向来回振动(这种运动在某种程度上类似于声波在空气中的运动)。

这些测量提供了对这两个声子速度的非常精确的测量,否则很难测量单个原子层。实验的重要结果之一是,横向声子散射优于纵向声子散射。在发现石墨烯之前的许多年里,这种通常被称为磁振荡的现象在半导体中被观测到。它是最古老的量子输运现象之一,在量子霍尔效应之前的50多年前就已经被发现。虽然石墨烯具有许多新颖而奇怪的电子性质,但这一相当基本的现象尚未被发现。

这项研究的共同作者劳伦斯·伊夫斯和克里希纳·库马尔说:我们惊讶地发现石墨烯中存在如此显著的磁振子振荡,而且鉴于大量关于石墨烯量子输运的文献,我们也对为什么人们以前从未见过它们感到困惑。需要两个关键因素。首先,该团队必须在国家石墨烯研究所(nationalgrapheneinstitute)制造大面积的高质量石墨烯晶体管,如果设备的尺寸小于几微米,就无法观察这些晶体管。曼彻斯特大学的Piranavankumaravapel是第一作者,他说:在量子传输实验的早期,人们习惯于研究宏观的、毫米大小的晶体。

在大多数关于石墨烯量子输运的研究中,所研究的器件通常只有几微米的尺寸。大尺寸石墨烯器件的制备不仅对应用,而且对基础研究都具有重要意义。第二个因素是温度。大多数石墨烯的量子输运实验都是在超冷温度下进行的,目的是为了减缓碳原子和通常破坏量子相干的冻结声子的振动。结果,石墨烯被加热,因为需要激活声子才能产生这种效果。这一结果非常令人兴奋,为研究二维晶体中声子的性质和异质结构开辟了一条新的途径。