物理學(xué)家在雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的量子效應(yīng)

德克薩斯大學(xué)達拉斯分校的理論家與德國的同事們首次在一種非常簡單的材料中觀察到一種稱為量子反常霍爾效應(yīng)的罕見現(xiàn)象。以前的實驗僅在復(fù)雜或精致的材料中檢測到它。

自然科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)院物理學(xué)副教授張帆博士是10 月 6 日發(fā)表在《自然》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兩層石墨烯。原子薄層的碳原子排列成兩個蜂窩狀晶格堆疊在一起。

量子霍爾效應(yīng)是一種宏觀現(xiàn)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(tǒng)中。然而，在沒有外部磁場的情況下，二維系統(tǒng)可以自發(fā)地產(chǎn)生自己的磁場，例如，通過電子之間相互作用產(chǎn)生的軌道鐵磁性。這種行為稱為量子反?；魻栃?yīng)。

“之前研究罕見的量子反?；魻栃?yīng)時，研究的材料很復(fù)雜，”張說。“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(xué)教授 Thomas Weitz 博士說：“此外，我們發(fā)現(xiàn)，盡管碳不應(yīng)該具有磁性或鐵電性，但我們觀察到的實驗特征與兩者一致。”

在 2011 年發(fā)表的研究中，理論物理學(xué)家張預(yù)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(負(fù) 273.15 攝氏度或負(fù) 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(qū)動的，電子的行為受量子力學(xué)和量子統(tǒng)計的支配。

“我們預(yù)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，”張說。

在Nature文章中描述的實驗中，研究人員在這第五族中發(fā)現(xiàn)了八種不同的基態(tài)，它們同時表現(xiàn)出量子反?；魻栃?yīng)、鐵磁性和鐵電性。

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