你所在的位置: 澳门新萄京59533com» 科技前沿» 正文          
科学家绘出石墨烯中电子运动的量子标记
[  来源:科学之家     点击数:     更新时间:2015-06-20 ]
    过去7年中,为了研究石墨烯的电子特性,Javier Sanchez-Yamagishi建立了数百个纳米石墨烯堆叠系统。他说:让我感兴趣的是这些组合系统的性质取决于它们之间的相对对齐。

    Sanchez-Yamagishi刚刚在2015年1月取得了博士学位,目前是副教授Pablo Jarillo-Herrero科研团队中的博士后。他在多种水平定向组装了石墨烯和氮化硼。我们的技巧是制造更干净的设备,把它们冷却到低温,然后加上很大的磁场。Sanchez-Yamagishi在美国国家强磁场实验室(National High Magnetic Field Laboratory)完成了测量。这个实验室配有全球最大的连续磁铁45Tesla,它比冰箱磁铁强1万倍。

    Sanchez-Yamagishi以第一作者的身份于2014年在Nature上发表了一篇论文,论文提到给石墨烯平面施加磁场时,石墨烯边缘的电子会向自旋的反方向移动。论文的其他作者有博士后Benjamin /M. Hunt和Pappalardo Fellow Andrea Young,他们都在麻省理工大学(Massachusetts Institute of Technology,MIT)物理学教授Raymond /C. Ashoori的团队工作。Sanchez-Yamagishi说这篇论文是两年工作的结晶。

    Sanchez-Yamagishi解释道:我们试着在石墨烯中实现一些有趣的量子态。其中之一是量子自旋霍尔状态(Hall state)。这个研究能应用到量子计算机,团队对此很感兴趣,因为Jarillo-Herrero就职于综合量子材料中心(Center for Integrated Quantum Materials)。

    Sanchez-Yamagishi还在2013年发表过论文。论文中,他与Jarillo-Herrero、Ashoori和其他合作者阐述了几层石墨烯对齐和六方氮化硼会在石墨烯中产生一种特殊的带隙,该带隙可能成为开发功能晶体管材料的先导。其他作者仍然是Young和Hunt,Young目前在加州大学圣巴巴拉分校(University of California at Santa Barbara)担任副教授,Hunt将在2015年秋季到卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)物理系任教。

    图片说明:用来制造石墨烯的优质石墨。Javier Sanchez-Yamagishi说,他们在副教授Pablo Jarillo-Herrero的实验室中使用的优质石墨来自印度的矿井。石墨被擦上硅片后,再用特殊的胶带取下,制造出石墨烯薄片。图片来源:Denis Paiste/Materials Processing Center

    石墨烯和氮化硼层的原子都以六边形排列。当石墨烯的晶格与六边氮化硼基本对齐时,给样本加上平面外磁场后,它们呈现的电子能级叫做霍夫斯塔特蝴蝶(Hofstadters butterfly),因为它们的排列像蝴蝶图案。物理学家感到兴奋的是它是量子物理中少见的不规则图案。Sanchez-Yamagishi说:当电子很小而且温度很低时,这种物理学现象才会出现,可见量子物理的与众不同。

    除了获得了霍夫斯塔特蝴蝶图案,这套设备还是首个在石墨烯中产生带隙的设备。Jarillo-Herrero说,令人意外的是当实验中石墨烯和六边氮化硼间的旋转角度很低时,石墨烯竟然变成了绝缘体,而一般情况下它都是良好的导体。这个结果完全在意料之外,理论学家还在寻找其中的原因。在量化层面上,我们还不理解这个现象的原因,我们只有质量上的数据。

    石墨烯的这些奇特电子特性来自它的分子结构,它的碳原子晶格是蜂窝形或铁丝网形。当这些蜂窝结构相互堆叠时,如果对不齐,它们就组成了云纹图案,每层与其他层的旋转不同。我们偶然间发现样本呈霍夫斯塔特蝴蝶排列,Sanchez-Yamagishi解释道,要想看到这个图案,石墨烯需要基本对齐六边氮化硼。当它们基本对齐时,就会出现一个超晶格,电子的物理性质就会受到强烈的影响,这就是我们能观察到霍夫斯塔特蝴蝶图案的原因。换个说法,他解释道:如果对不齐,云纹就很小,这样对电子物理性质的影响就很小。但当它们对齐时,对齐程度越高,云纹越大,对电子的影响越强。所以想观测到蝴蝶图案,大云纹是必须的。

    当石墨烯中出现蜂窝结构时,一种熟悉的碳结构就会出现,它的特殊性质只在单原子或多原子厚度的石墨烯层从石墨分离时显现。Sanchez-Yamagishi说:石墨烯的导电性优于石墨、金或银。

    Sanchez-Yamagishi在实验室造出了一个设备,该设备能堆叠极薄的石墨烯片和类似材料。当两层石墨烯没对齐时,它们叫做扭曲的双层石墨烯。他解释道:石墨中基本每层都能对齐,电子运动会放缓。实验证明如果两层石墨烯对齐,一层内的电子运动也会同样放缓。但是如果没对齐,它们的反应基本与另一层石墨烯无关。它们完全对齐时就会相互解耦,而它们的导电性几乎和单层石墨烯一样好。如果没对齐,一层中的电子就不受其他层的影响,仍能快速移动。

    如果旋转没有对齐,电子在单层间的移动就会加强,这对层间的电子移动起反作用。Sanchez-Yamagishi解释道:即使它们彼此堆叠,中间只隔着几个原子,如果把它们扭曲,电子其实不能自己从一层运动到另一层。它们还需要系统中其他因素的帮助。所以我们可以把它们对齐,它们并不通电,这与云纹有关。这是因为两层之间的扭曲会使它们解耦。

    Sanchez-Yamagishi在2008年加入了Jarillo-Herrero的团队,最初他要花费几个月才能制作出优质石墨烯,现在他已经能造出复杂的石墨烯设备,还能把它们和其他材料结合起来。他用黄金接点给石墨烯传送电流,测量它的电气性能。通常,测试设备用的石墨烯是不规则的,因为天然石墨材料制出的石墨烯形状就不规则。石墨被擦在硅板上,然后被特制胶带取下,制成石墨烯薄层。Sanchez-Yamagishi说,最大化设备可用的石墨烯量优先于美化石墨烯的外观。我们试图把技术做到最好。我们想找到性能特别好的材料,因为我们希望能演示物理性质。最后,我们会剔除劣质材料,留下性能最好的。

    本研究在4开氏度的低温下进行,有的实验温度更低。Sanchez-Yamagishi说:我们实验室的中心工作是研究电子移动时的电性,为了实现这个目标,首先我们希望把温度降低,这样就能观察到电子自身的行为,然后我们可以考虑更加复杂的实验。

    从2015年9月开始,Sanchez-Yamagishi将在哈佛大学(Harvard University)量子光学中心(Quantum Optics Center)进行为期两年的博士后研究,他的课题是钻石中的氮空位中心,Mikhail Lukin是该课题的首席研究员。他说:我的背景是研究石墨烯中的电子,所以我想把石墨烯中的电子与钻石中的光子结合起来。他希望能在未来成为物理学教授。
作者:     编辑:杨光屿    
  • 上一篇新闻: “纳米墨水”印出太阳能电池
  • 下一篇新闻: 稀土行业兼并整合快速推进
  • 关闭窗口
     最新5篇热点新闻
     
     最新5篇推荐新闻
     
     相 关 新 闻
    澳门新萄京59533com党委宣传部版权所有
    XML 地图 | Sitemap 地图