扭曲的二维材料实验发现电子的集体行为

美国华盛顿大学官网近日报道,该校领导的研究团队报告称,精心构造的堆叠石墨烯表现出高度关联的电子特性,并且这种集体行为很可能与奇异的磁状态相关。

科学家有着远大的目标:治疗疾病、探索遥远的世界、清洁能源革命。在物理与材料研究领域,这些远大目标中的一部分就是制造听上去平凡但却具有非凡特性的物体:传输电力而不损失任何能量的电线,或者执行当今计算机无法完成的复杂计算的量子计算机。使我们逐渐向着这些目标迈进的新兴实验台就是二维材料,即单层原子厚度的材料薄片。

二维材料,是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料。除石墨烯外,二维材料还包括六方氮化硼、过渡族金属化合物(二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨)、黑磷等。二维材料具有独特的电气、光学以及机械特性,例如良好的导电性、柔韧性以及强度,从而有望应用于激光器、光伏电池、传感器和医疗电子等领域。

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创新

在一篇发表在《自然·物理学》(Nature Physics)杂志上的论文中,美国华盛顿大学领导的研究团队报告称,精心构造的堆叠石墨烯(碳的二维形式)能表现出高度关联的电子特性。团队也发现,这种集体行为很可能与奇异的磁状态相关。

华盛顿大学物理学以及材料科学与工程助理教授、华盛顿大学清洁能源研究所研究员、论文高级合著者马太·杨科维茨(Matthew Yankowitz)表示:“我们创造出一种实验装置,使我们能以许多令人振奋的新方法在石墨烯层中操纵电子。”

杨科维茨与论文高级合著者、华盛顿大学物理学以及材料科学与工程教授徐晓东(音译:Xiaodong Xu)一起领导这个团队。徐晓东也是华盛顿大学分子工程与科学研究所、华盛顿大学纳米工程系统研究所以及华盛顿大学清洁能源研究所的研究员。

技术

因为二维材料只有单个原子的厚度,所以原子之间只有二维形式的联系,而像电子这样的粒子只能像棋盘上的棋子一样移动:前后、左右、对角,而不能上下移动。这些限制赋予了二维材料某些特性,这些特性是它们的三维对应物所缺乏的,科学家们一直在探索不同材料的二维薄片,以描述和理解这些有用的潜在特性。

但是过去十年来,像杨科维茨这样的科学家们也开始将二维材料分层堆放,就像一堆薄饼那样,发现如果分层堆放并以特殊角度旋转,以及暴露在极低温度下,这些层会表现出让人意料不到的奇异特性。

扭曲的二维材料实验发现电子的集体行为

两片双层石墨烯薄片堆叠以及旋转后出现的莫列波纹图案。具有磁序的关联电子状态,出现在以小角度扭转的石墨烯双层中,可通过门控以及电场来调节。(图片来源:Matthew Yankowitz)

华盛顿大学的团队致力于研究双层石墨烯(自然堆叠在一起的两个石墨烯薄片)的构成要素。他们将一层堆叠在另一层之上(总共四层石墨烯),并扭转它们以使双层之间碳原子的布局稍微不对齐。之前的研究显示,在石墨烯的单层或者双层之间引入这些小扭转角,会对它们的电子行为产生大影响。在跨越堆叠双层的特殊电场配置以及电荷分布下,电子表现出高度关联的行为。换句话说,它们在同一时间全部开始做同样的事情,或者表现出同样的特性。

扭曲的二维材料实验发现电子的集体行为

扭曲的双层石墨烯装置的光学显微图像。(图片来源:Matthew Yankowitz)

杨科维茨表示:“在这些情况下,描述单个电子的行为已经失去了意义,有意义的是所有的电子一起做什么。”

华盛顿大学物理系的博士生、前清洁能源研究所的研究员、领导作者何明浩(音译:Minhao He)表示:“这就像一个挤满人的房间,任何一个人的行为变化都会引起其他人的类似变化。”

量子物理学可以解释这些关联特性,并且因为堆叠的双层石墨烯具有高于每平方厘米10^12(或者说一兆)个电子的密度,大量电子表现出集体行为。

团队设法在他们的实验装置中解开这些关联状态背后的秘密。在仅高于绝对零度几度的温度下,团队发现他们将系统“调谐”成一种关联的绝缘态,系统在这种状态下是不导电的。在这些绝缘态附近,团队发现了许多高度导电的状态,看起来非常像超导状态。

尽管近期其他的团队报告过这些状态,这些特征的起因仍然是个谜。但是华盛顿大学的研究找到了可能的解释。他们发现,这些状态似乎是由电子的量子力学特性:“自旋”(一种角动量)所引起的。在关联绝缘态附近的区域,他们发现所有的电子自发对齐地自旋。这可能表明,在靠近表现出关联绝缘态的区域附近,一种铁磁性(不是超导性)的形式正在出现,但是需要额外的实验来验证这一点。

价值

这些发现是开展二维材料实验时许多惊喜发现中的最新案例。

徐教授表示:“我们在这方面研究中所做的大部分工作,就是尝试创造、理解并控制新兴的电子状态,这些状态要么是关联的,要么是拓扑的,要么二者兼备。未来对于这些状态,我们有许多工作可以做,例如量子计算、新的能量采集装置,或者新型传感器。坦白地说,我们只有尝试以后才能知道。”

与此同时,堆叠、双层以及扭转角有望继续产生新的影响。[IntelligentThings, John Zhang编译]

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