由兩個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成的絕緣體
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(guò)導(dǎo)體。材料中的電子 - 帶負(fù)電的載流子 - 以無(wú)序的方式移動(dòng),并且在很大程度上彼此獨(dú)立。然而,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)它更有趣,當(dāng)電荷載體彼此之間的影響足夠強(qiáng)烈以至于那張簡(jiǎn)單的圖片不再正確時(shí)。
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,例如,材料可以變得超導(dǎo),從而在沒(méi)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(guó))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(shuō)。研究最近發(fā)表在《科學(xué)》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(guò)耦合增加電阻
因此,通過(guò)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(lái),恩斯林和他的合作者無(wú)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(lái)自?shī)W斯汀的艾倫 H.麥克唐納給了他們一個(gè)決定性的提示:根據(jù)麥克唐納的說(shuō)法,他們觀察到了一種新的密度波。
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