物理学家观察双层石墨烯中的奇异量子态

2022-02-23 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:826 /
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来自美国和日本的一个国际物理学家团队展示了一系列出现在双层石墨烯叠层中的分数量子霍尔效应态。该团队的论文发表在《自然物理学》杂志上。石墨烯双层结构中发现的新型准粒子。这个所谓的复合费米子由一个电子和两种不同类型的磁通量组成,如图中蓝色和金色箭头所示。复合费米子能够形成对,这样独特......

来自美国和日本的一个国际物理学家团队展示了一系列出现在双层石墨烯叠层中的分数量子霍尔效应态。该团队的论文发表在《自然物理学》杂志上。

A new type quasiparticle discovered in graphene double-layer structure. This so-called composite fermion consists of one electron and two different types of magnetic flux, illustrated as blue and gold colored arrows in the figure. Composite fermions are capable of forming pairs, such unique interaction lead to experimental discovery of unexpected new quantum Hall phenomena. Image credit: Michelle Miller & Jia Li, Brown University.

石墨烯双层结构中发现的新型准粒子。这个所谓的复合费米子由一个电子和两种不同类型的磁通量组成,如图中蓝色和金色箭头所示。复合费米子能够形成对,这样独特的相互作用导致实验发现意想不到的新量子霍尔现象。图像信用:米歇尔米勒& amp布朗大学李嘉分校。

当磁场以垂直于电流的方向施加到导电材料上时,霍尔效应出现。磁场ca利用电流偏转,在横向产生一个电压,称为霍尔电压。霍尔电压的强度随着磁场的强度而增加。

霍尔效应的量子版本最早是在1980年在低温和强磁场下进行的实验中发现的。

实验表明,霍尔电压不是随着磁场强度平稳增加,而是以步进(或量化)方式增加。这些步骤是自然界基本常数的整数倍,完全独立于实验中所用材料的物理组成。

几年后,在接近绝对零度的温度和非常强的磁场下工作的实验物理学家发现了新类型的量子霍尔态,其中霍尔电压中的量子阶跃对应于分数,因此得名分数量子霍尔效应。

理论家后来假设分数量子霍尔效应与被称为复合费米子的准粒子的形成有关。在这种状态下,每个电子与一个磁通量子结合,形成一个复合费米子,携带一部分电子电荷,从而产生霍尔电压的分数值。

复合费米子理论已经成功地解释了在单量子阱系统中观察到的无数现象。

这项由布朗大学、哥伦比亚大学和日本国家材料科学研究所的物理学家进行的新研究使用双层石墨烯来研究当两个量子阱靠近时会发生什么。

理论认为两层之间的相互作用会导致一种新型的复合费米子,但这在实验中从未被观察到。

在实验中,该团队完全用原子级平面2D材料制造了超净设备。

该结构的核心由两层石墨烯层组成,由一层薄的六方氮化硼作为绝缘屏障隔开。双层r结构由六方氮化硼作为保护绝缘体和石墨作为导电栅极封装,以改变沟道中的电荷载流子密度。

石墨烯结构然后暴露在强磁场中& # 8212;比地球磁场强数百万倍。

科学家们产生了一系列分数量子霍尔态,其中一些证明了与复合费米子模型的极好一致性,还有一些从未被预测或看到过。

“除了层间复合费米子,我们还观察到了复合费米子模型无法解释的其他特征,”哥伦比亚大学博士后研究员·施博士说。

“一项更仔细的研究表明,令我们惊讶的是,这些新状态是由复合费米子之间的配对产生的。相邻层之间和同一层内的配对相互作用产生了各种新的量子现象,使双层石墨烯成为一个令人兴奋的研究平台。”

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李等。双层石墨烯中复合费米子的配对态。《自然物理》,2019年6月24日在线出版;doi:10.1038/s 14567-019-0547-z


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