研究揭示了雙層石墨烯中的奇異量子態(tài)

來自布朗大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)證明了雙層疊層石墨烯(一種二維納米材料)中出現(xiàn)的以前未知的物質(zhì)狀態(tài)。這些被稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的新狀態(tài)來自石墨烯層內(nèi)部和之間的電子的復(fù)雜相互作用。

“研究結(jié)果表明，將二維材料緊密地堆疊在一起會(huì)產(chǎn)生全新的物理特性，”布朗的物理學(xué)助理教授賈莉說，他在哥倫比亞大學(xué)的一名博士后工作，與物理學(xué)教授科里迪恩合作和機(jī)械工程教授Jim Hone。“在材料工程方面，這項(xiàng)工作表明，這些分層系統(tǒng)可以用于創(chuàng)造利用這些新量子霍爾狀態(tài)的新型電子設(shè)備。”

重要的是，哥倫比亞工程公司機(jī)械工程教授Hone，Wang Fong-Jen說，其中幾個(gè)新的量子霍爾國家“可能在制造容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)時(shí)很有用”。

當(dāng)在與電流垂直的方向上將磁場(chǎng)施加到導(dǎo)電材料時(shí)，霍爾效應(yīng)出現(xiàn)。磁場(chǎng)使電流偏轉(zhuǎn)，在橫向產(chǎn)生電壓，稱為霍爾電壓?；魻栯妷旱膹?qiáng)度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加?；魻栃?yīng)的量子版本最初是在1980年在低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)表明，霍爾電壓不是隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度平滑地增加，而是以逐步(或量化)的方式增加。這些步驟是自然基本常數(shù)的整數(shù)倍，并且完全獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)中使用的材料的物理組成。該發(fā)現(xiàn)被授予1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

幾年后，研究人員在接近絕對(duì)零度且具有非常強(qiáng)的磁場(chǎng)的溫度下工作，發(fā)現(xiàn)了新型的量子霍爾態(tài)，其中霍爾電壓中的量子步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于分?jǐn)?shù)，因此稱為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)在1998年獲得了另一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。理論家后來認(rèn)為分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)與稱為復(fù)合費(fèi)米子的準(zhǔn)粒子的形成有關(guān)。在這種狀態(tài)下，每個(gè)電子與一定量的磁通量結(jié)合形成復(fù)合費(fèi)米子，其攜帶一部分電子電荷，從而產(chǎn)生霍爾電壓的分?jǐn)?shù)值。

復(fù)合費(fèi)米子理論成功地解釋了在單量子阱系統(tǒng)中觀察到的無數(shù)現(xiàn)象。這項(xiàng)新研究使用雙層石墨烯來研究當(dāng)兩個(gè)量子阱靠近時(shí)會(huì)發(fā)生什么。理論認(rèn)為兩層之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生一種新型的復(fù)合費(fèi)米子，但這在實(shí)驗(yàn)中從未被觀察到。

在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)在哥倫比亞大學(xué)多年的工作基礎(chǔ)上，提高了石墨烯設(shè)備的質(zhì)量，完全采用原子級(jí)平面二維材料制造超潔凈設(shè)備。該結(jié)構(gòu)的核心由兩個(gè)石墨烯層組成，所述兩個(gè)石墨烯層由作為絕緣屏障的六方氮化硼薄層隔開。雙層結(jié)構(gòu)由六方氮化硼作為保護(hù)絕緣體封裝，石墨作為導(dǎo)電柵極，以改變溝道中的電荷載流子密度。

“再一次，石墨烯令人難以置信的多功能性使我們能夠?qū)⒃O(shè)備結(jié)構(gòu)的界限推向前所未有的水平。” 哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授迪恩說。“我們制作這些設(shè)備的精確性和可調(diào)性現(xiàn)在使我們能夠探索最近被認(rèn)為完全無法訪問的整個(gè)物理領(lǐng)域。”

然后石墨烯結(jié)構(gòu)暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中 - 比地球磁場(chǎng)強(qiáng)數(shù)百萬倍。該研究產(chǎn)生了一系列分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)，其中一些與復(fù)合費(fèi)米子模型表現(xiàn)出極好的一致性，還有一些從未被預(yù)測(cè)或看到過。

“除了層間復(fù)合費(fèi)米子之外，我們還觀察到復(fù)合費(fèi)米子模型中無法解釋的其他特征，”該報(bào)的共同第一作者，哥倫比亞大學(xué)的博士后研究員施勤輝說。“更仔細(xì)的研究表明，令我們驚訝的是，這些新狀態(tài)是由復(fù)合費(fèi)米子之間的配對(duì)造成的。相鄰層之間和同一層內(nèi)的配對(duì)相互作用產(chǎn)生了各種新的量子現(xiàn)象，使得雙層石墨烯成為令人興奮的平臺(tái)學(xué)習(xí)。”

“特別感興趣，”Hone說，“有幾個(gè)新的州有可能存在非阿貝爾波函數(shù) - 這些狀態(tài)與傳統(tǒng)的復(fù)合費(fèi)米子模型不太一致。” 在非阿貝爾狀態(tài)下，電子相對(duì)于彼此保持其過去位置的“記憶”。這有助于實(shí)現(xiàn)不需要糾錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)，這是目前該領(lǐng)域的主要絆腳石。

“這是30年來非阿貝爾國家的第一批新候選人，”迪恩說。“看到我們的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了新物理，真的很令人興奮。”

該研究的標(biāo)題是“雙層石墨烯中復(fù)合費(fèi)米子的配對(duì)狀態(tài)”。