德克薩斯大學達拉斯分校的理論家和德國的同事們首次在一種非常簡單的材料中觀察到了一種稱為量子反常霍爾效應的罕見現象。以前的實驗僅在復雜或精致的材料中檢測到它。
自然科學與數學學院物理學副教授 Fan Zhang 博士是 10 月 6 日發(fā)表在《Nature》雜志上的一項研究的作者，該研究展示了雙層石墨烯的奇異行為，這是一種天然存在的雙原子，一層薄薄的碳原子排列成兩個堆疊在一起的蜂窩狀晶格。
量子霍爾效應是一種宏觀現象，其中材料中的橫向電阻以逐步的方式通過量化值發(fā)生變化。 它發(fā)生在低溫和強磁場下的二維電子系統中。 然而，在沒有外部磁場的情況下，二維系統可以自發(fā)地產生自己的磁場，例如，通過電子之間相互作用產生的軌道鐵磁性。這種行為稱為量子反常霍爾效應。“之前研究罕見的量子反常霍爾效應時，研究的材料很復雜，”zhang說。“相比之下，我們的材料相對簡單，因為它只由兩層石墨烯組成，并且是自然形成的。”
該研究的作者、哥廷根大學I.物理研究所和慕尼黑路德維希馬克西米利安大學教授 Thomas Weitz 博士說：“此外，我們發(fā)現盡管碳不應該具有磁性或鐵電體，我們觀察到與兩者一致的實驗特征。”
在 2011 年發(fā)表的研究中，理論物理學家zhang預測，雙層石墨烯將具有五個相互競爭的基態(tài)，這是材料在接近絕對零（-273.15 攝氏度或-459.67 華氏度）的溫度下發(fā)生的最穩(wěn)定的狀態(tài)。 這種狀態(tài)是由電子的相互作用驅動的，電子的行為受量子力學和量子統計的支配。“我們預測雙層石墨烯中將有五個狀態(tài)族相互競爭成為基態(tài)。 過去曾觀察到四個。 這是最后一個，也是最具挑戰(zhàn)性的觀察，”zhang說。
在《Nature》文章中描述的實驗中，研究人員在這第五族中發(fā)現了八種不同的基態(tài)，它們同時表現出量子反常霍爾效應、鐵磁性和鐵電性。“我們還表明，通過施加小的外部電場和磁場以及控制電荷載流子的符號，我們可以在這個八位字節(jié)的基態(tài)中進行選擇，” Weitz說。將雙層石墨烯的電子特性控制到如此高的程度的能力可能使其成為未來低耗散量子信息應用的潛在候選者，盡管zhang和Weitz表示他們主要感興趣的是揭示“基礎物理學的美麗”。“我們預測、觀察、闡明和控制了一個量子異常霍爾八位組，其中三種引人注目的量子現象——鐵磁性、鐵電性和零場量子霍爾效應——可以在雙層石墨烯中共存甚至合作，”zhang說。 “現在我們知道我們可以在這種簡單的材料中統一鐵磁性、鐵電性和量子反常霍爾效應，這是驚人的和前所未有的。”
《Nature》文章的其他作者包括 UT 達拉斯物理學博士生 Tianyi Xu 以及來自哥廷根大學和慕尼黑路德維希馬克西米利安大學的研究人員。zhang的研究由美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部的陸軍研究實驗室和國家科學基金會資助。
摘自《The Graphene Council》網站
