在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，研究人員觀察到一種新的物質(zhì)狀態(tài)：在相對(duì)于彼此扭曲的石墨烯層中，兩個(gè)電導(dǎo)體組合形成絕緣體。
歐姆定律在物理課上是眾所周知的。它指出導(dǎo)體的電阻和施加在其上的電壓決定了有多少電流流過導(dǎo)體。材料中的電子-帶負(fù)電的載流子-以無序的方式移動(dòng)，并且在很大程度上彼此獨(dú)立。然而，當(dāng)電荷載體彼此之間的影響足夠強(qiáng)烈時(shí)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)它更有趣。
例如，幾年前發(fā)現(xiàn)的“扭曲雙層石墨烯”就是這種情況。該材料由兩個(gè)極薄的石墨烯層制成，每個(gè)層都由單層碳原子組成。如果兩個(gè)相鄰的層相對(duì)于彼此稍微扭曲，則電子會(huì)受到影響，使它們彼此之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。因此，材料可以變得超導(dǎo)，從而在沒有任何損失的情況下傳導(dǎo)電流。
由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院固態(tài)物理實(shí)驗(yàn)室的克勞斯·恩斯林 (Klaus Ensslin) 和托馬斯·伊恩 (Thomas Ihn) 領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員，以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（美國）的同事，現(xiàn)已觀察到扭曲雙層石墨烯中的一種新狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，材料中缺少電子的帶負(fù)電的電子和帶正電的所謂空穴相互關(guān)聯(lián)如此之強(qiáng)，以至于材料不再傳導(dǎo)電流。
扭曲的石墨烯層
“在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，石墨烯層相對(duì)于彼此扭曲大約一個(gè)度，電子的遷移率受到層間量子力學(xué)隧道效應(yīng)的影響”，博士后和該論文的主要作者 Peter Rickhaus 解釋說。 研究最近發(fā)表在《Science》雜志上。“相比之下，在我們的新實(shí)驗(yàn)中，我們將兩個(gè)雙層石墨烯相對(duì)于彼此扭曲了兩度以上，因此電子基本上不再能在雙層之間形成隧道。”
通過耦合增加電阻
因此，通過施加電場(chǎng)，可以在雙層之一中產(chǎn)生電子，而在另一層中產(chǎn)生空穴。 電子和空穴都可以傳導(dǎo)電流。 因此，人們會(huì)期望兩個(gè)石墨烯雙層一起形成一個(gè)電阻更小的更好的導(dǎo)體。
然而，在某些情況下，可能會(huì)發(fā)生完全相反的情況，正如 Ensslin 團(tuán)隊(duì)的博士后 Folkert de Vries 解釋的那樣：“如果我們調(diào)整電場(chǎng)，使電場(chǎng)中的電子和空穴數(shù)量相同 雙層，電阻突然急劇增加。” 幾個(gè)星期以來，恩斯林和他的合作者無法理解這個(gè)令人驚訝的結(jié)果，但最終他們的理論同事來自奧斯汀的Allan H. MacDonald給了他們一個(gè)決定性的提示：根據(jù)MacDonald的說法，他們觀察到了一種新的密度波。
當(dāng)材料中的電子共同傳導(dǎo)電流并在空間上排列成波時(shí)，所謂的電荷密度波通常出現(xiàn)在一維導(dǎo)體中。 在 ETH 研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)在是電子和空穴通過靜電引力相互配對(duì)，從而形成集體密度波。 然而，這種密度波現(xiàn)在由電中性的電子-空穴對(duì)組成，因此兩個(gè)雙層結(jié)合在一起不能再傳導(dǎo)電流。
新的相關(guān)狀態(tài)
“這是一種全新的電子和空穴相關(guān)狀態(tài)，它沒有整體電荷”，恩斯林說。 “然而，這種中性狀態(tài)可以傳輸信息或傳導(dǎo)熱量。 而且，它的特別之處在于我們可以通過扭轉(zhuǎn)角度和施加的電壓來完全控制它。” 在其他材料中也觀察到了類似的狀態(tài)，其中電子-空穴對(duì)（也稱為激子）是通過激光激發(fā)產(chǎn)生的。 然而，在 ETH 的實(shí)驗(yàn)中，電子和空穴處于基態(tài)或最低能量狀態(tài)，這意味著它們的壽命不受自發(fā)衰變的限制。
在量子技術(shù)中的可能應(yīng)用
Ensslin 專門研究小型量子系統(tǒng)的電子特性，他已經(jīng)在推測(cè)新相關(guān)態(tài)的可能實(shí)際應(yīng)用。 然而，這將需要大量的準(zhǔn)備工作。 例如，可以在（Fabry-Pérot）諧振器中捕獲電子-空穴對(duì)。這是非?？量痰?，因?yàn)橹行粤Ｗ硬荒苤苯涌刂疲缡褂秒妶?chǎng)。 另一方面，狀態(tài)是電中性的這一事實(shí)可能證明是一個(gè)優(yōu)勢(shì)：它可以被利用來使量子存儲(chǔ)器不易受到電場(chǎng)噪聲的影響。
摘自《The Graphene Council》
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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