石墨烯材料中發現新型準粒子,於特定磁場表現不同行為

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 17 日 12:24 | 分類 材料 , 材料、設備 , 零組件 Telegram share ! follow us in feedly


科學家在石墨烯─氮化硼超晶格發現了新的準粒子家族,稱為 Brown-Zak 費米子,在施加特定磁場的情況下竟沿直線軌跡移動,這項發現不只對電子傳遞基礎研究相當重要,也有機會促進新型電子元件發展。

準粒子(quasiparticle)一詞由理論物理學家 Lev Landau 於 1940 年代引入,在物理學,準粒子是種發生在微觀複雜系統的突現現象,集體效應描述為「單粒子激發」,可說是凝聚態物理學與量子多體系統最重要的概念之一。

近年來,科學家開始研究石墨烯─氮化硼超晶格(superlattice),這種材料結構可以觀察到電子於磁場出現絕妙分型圖案,稱為「霍夫施塔特蝴蝶」(Hofstadter’s butterfly),然而當曼徹斯特大學團隊將石墨烯層原子晶格對準絕緣氮化硼片原子晶格、並施加特定磁場值時,卻發現結構裡的電子發生令人驚訝的行為。

若按照理論預期,電子在跑進均勻磁場的情況下會呈現等速率圓周運動,然而當研究人員將石墨烯─氮化硼超晶格磁場設定為某個特定值時,卻發現電子再次沿直線軌跡移動,彷彿磁場消失了。

▲ 電子在石墨烯─氮化硼超晶格強磁場的運動行為改變。(Source:曼徹斯特大學

原本科學家仍以狄拉克費米子(Dirac fermion)來思考石墨烯超晶格中集體電子的行為,但狄拉克費米子並不能解釋某些實驗結果,也不符合該狀態下準粒子的有限質量。因此研究人員歸因於高磁場下有新型準粒子「Brown-Zak 費米子」(Brown-Zak fermions)形成,它們有自己的獨特性能和極高遷移率(粒子系統中,遷移率定義為粒子在施加電流時行進的能力)。

石墨烯結構中,高遷移率一直是聖杯,因此類材料將有其他特性(整數/分數量子霍爾效應)可製造超高頻電晶體。新研究中,科學家製備了高純度超大型石墨烯元件,獲得幾百萬 cm²/Vs 電子遷移率,這代表粒子能直接在整個設備傳遞而不會發生散射。

施加磁場原本會降低電子遷移率,然而這些在超晶格強磁場下出現的新型準粒子反其道而行,將能為一些極端條件下運行的電子設備開闢前景。

(首圖來源:俄亥俄州立大學