研究揭示了双层石墨烯中的奇异量子态

来自布朗大学和哥伦比亚大学的研究人员已经证明了双层叠层石墨烯(一种二维纳米材料)中出现的以前未知的物质状态。这些被称为分数量子霍尔效应的新状态来自石墨烯层内部和之间的电子的复杂相互作用。

“研究结果表明，将二维材料紧密地堆叠在一起会产生全新的物理特性，”布朗的物理学助理教授贾莉说，他在哥伦比亚大学的一名博士后工作，与物理学教授科里迪恩合作和机械工程教授Jim Hone。“在材料工程方面，这项工作表明，这些分层系统可以用于创造利用这些新量子霍尔状态的新型电子设备。”

重要的是，哥伦比亚工程公司机械工程教授Hone，Wang Fong-Jen说，其中几个新的量子霍尔国家“可能在制造容错量子计算机时很有用”。

当在与电流垂直的方向上将磁场施加到导电材料时，霍尔效应出现。磁场使电流偏转，在横向产生电压，称为霍尔电压。霍尔电压的强度随着磁场强度的增加而增加。霍尔效应的量子版本最初是在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滑地增加，而是以逐步(或量化)的方式增加。这些步骤是自然基本常数的整数倍，并且完全独立于实验中使用的材料的物理组成。该发现被授予1985年诺贝尔物理学奖。

几年后，研究人员在接近绝对零度且具有非常强的磁场的温度下工作，发现了新型的量子霍尔态，其中霍尔电压中的量子步长对应于分数，因此称为分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应的发现在1998年获得了另一个诺贝尔奖。理论家后来认为分数量子霍尔效应与称为复合费米子的准粒子的形成有关。在这种状态下，每个电子与一定量的磁通量结合形成复合费米子，其携带一部分电子电荷，从而产生霍尔电压的分数值。

复合费米子理论成功地解释了在单量子阱系统中观察到的无数现象。这项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产生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，该团队在哥伦比亚大学多年的工作基础上，提高了石墨烯设备的质量，完全采用原子级平面二维材料制造超洁净设备。该结构的核心由两个石墨烯层组成，所述两个石墨烯层由作为绝缘屏障的六方氮化硼薄层隔开。双层结构由六方氮化硼作为保护绝缘体封装，石墨作为导电栅极，以改变沟道中的电荷载流子密度。

“再一次，石墨烯令人难以置信的多功能性使我们能够将设备结构的界限推向前所未有的水平。” 哥伦比亚大学物理学教授迪恩说。“我们制作这些设备的精确性和可调性现在使我们能够探索最近被认为完全无法访问的整个物理领域。”

然后石墨烯结构暴露在强磁场中 - 比地球磁场强数百万倍。该研究产生了一系列分数量子霍尔态，其中一些与复合费米子模型表现出极好的一致性，还有一些从未被预测或看到过。

“除了层间复合费米子之外，我们还观察到复合费米子模型中无法解释的其他特征，”该报的共同第一作者，哥伦比亚大学的博士后研究员施勤辉说。“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造成的。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，使得双层石墨烯成为令人兴奋的平台学习。”

“特别感兴趣，”Hone说，“有几个新的州有可能存在非阿贝尔波函数 - 这些状态与传统的复合费米子模型不太一致。” 在非阿贝尔状态下，电子相对于彼此保持其过去位置的“记忆”。这有助于实现不需要纠错的量子计算机，这是目前该领域的主要绊脚石。

“这是30年来非阿贝尔国家的第一批新候选人，”迪恩说。“看到我们的实验中出现了新物理，真的很令人兴奋。”

该研究的标题是“双层石墨烯中复合费米子的配对状态”。