物理学家观察到二维绝缘体中意想不到的量子现象

2022-02-23 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:877 /
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来自美国和日本的一组物理学家在实验中观察到了一种叫做量子振荡的现象,这种现象发生在二维拓扑绝缘体中。单层钨二碲化物(WTe2)。该团队的发现发表在《自然》杂志上,暗示了一种全新的量子粒子的存在。一个“中性费米子”器件设计的卡通插图,其中使用具有选择性蚀刻区域的薄hBN层(蓝色)来......

来自美国和日本的一组物理学家在实验中观察到了一种叫做量子振荡的现象,这种现象发生在二维拓扑绝缘体中。单层钨二碲化物(WTe2)。该团队的发现发表在《自然》杂志上,暗示了一种全新的量子粒子的存在。一个“中性费米子”

Cartoon illustration of the device design, where a thin hBN layer (blue) with selectively etched areas is used to avoid contact of the Pd electrodes (yellow) with the edges of the monolayer WTe2. The stack of graphite (gray)/hBN (blue)/monolayer WTe2 (red), shown in the cross-sectional view, is further stacked onto the bottom part with the electrodes, as indicated by the arrow. Inset: an image of device 1; the dashed red line highlights the monolayer edges and the white squares denote the contact regions. Image credit: Wang et al., doi: 10.1038/s41586-020-03084-9.

器件设计的卡通插图,其中使用具有选择性蚀刻区域的薄hBN层(蓝色)来避免Pd电极(黄色)与单层WTe2的边缘接触。横截面图中所示的石墨(灰色)/hBN(蓝色)/单层WTe2(红色)的叠层进一步与电极堆叠在底部,如箭头所示。插图:设备1的图像;红色虚线突出显示单层边缘,白色方块表示接触区域。影像学分:王等,doi:10.1038/s 14586-020-03084-9。

对量子振荡的观察长期以来被认为是金属和绝缘体区别的标志。

在金属中,电子的流动性很高,电阻率很弱。近一个世纪前,物理学家观察到,磁场加上非常低的温度,可以导致电子从“经典”状态转移到量子状态,从而导致金属电阻率的振荡。

相比之下,在绝缘体中,电子不能移动,材料具有非常高的电阻率,因此无论施加的磁场强度如何,这种量子振荡都不会发生。

“如果我们的解释是正确的,我们正在看到一种全新的量子物质形式,”资深作者、普林斯顿大学物理系研究员吴三丰博士说。

“我们现在正在想象一个隐藏在绝缘体中的全新量子世界。有可能我们只是在过去几十年里错过了识别它们的机会。”

在这项研究中,吴博士和他的同事们使用标准透明胶带将钨层剥离,形成所谓的单层。

厚钨二碲镉汞表现得像金属一样。但是一旦转化成单层,它就变成了非常坚固的绝缘体。

然后,研究人员开始测量磁场下单层钨二碲镉汞的电阻率。

令他们惊讶的是,尽管绝缘体的电阻率相当大,但随着磁场的增加,它开始振荡,这表明它进入了量子态。

实际上,材料& # 8212;非常坚固的绝缘体& # 8212;表现出金属最显著的量子特性。

“这完全出乎意料。我们问自己,‘这是怎么回事?’我们还没有完全理解它,”吴博士说。

目前没有理论可以解释这种现象。"

尽管如此,科学家们有一个挑衅性的假设& # 8212;一种带中性电荷的量子物质。

“由于非常强的相互作用,电子正在组织自己产生这种新的量子物质。但最终振荡的不再是电子,”吴博士说。

相反,作者认为新粒子,他们称之为“中性费米子”,是从这些强相互作用的电子中诞生的,并负责产生这种非常显著的量子效应。

在量子材料中,带电的费米子可以是带负电的电子或带正电的“空穴”,它们负责导电。

也就是说,如果材料是电绝缘体,这些带电费米子就不能自由移动。然而,中性粒子& # 8212;也就是说,既不带负电荷也不带正电荷& # 8212;理论上可能存在于绝缘体中并在绝缘体中移动。

“我们的实验结果与所有基于带电费米子的现有理论相冲突,但可以在电荷中性费米子的存在下得到解释,”第一作者、普林斯顿大学物理系博士后研究员王鹏杰博士说。

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页(page的缩写)绝缘体中的朗道量子化和高移动费米子。自然,2021年1月4日在线发布;doi:10.1038/s 14586-020-03084-9

本文基于普林斯顿大学提供的文本。


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