在自然发生的石墨烯中发现了新的量子效应

诸平

 Scanning electron microscope image of a contacted, two-atom-thick, free-floating graphene flake with a free-floating metal bridge hovering above it. Credit: Fabian Geisenhof/Jakob Lenz

The gold contacts are shown as yellow, the graphene double layers red, and the metal bridge blue. Credit: Fabian Geisenhof/Jakob Lenz

据德国哥廷根大学（University of Göttingen）2021年10月6日提供的消息，通常，一种材料的电阻很大程度上取决于它的物理尺寸和基本性质。然而，在特殊情况下，这个电阻可以采用一个与材料的基本特性无关的固定值，并且是“量子化的（quantised）”(意思是它以离散的步骤而不是连续的方式变化)。当电子以二维方式运动时，电阻的量子化通常发生在强磁场和非常低的温度下。现在，哥廷根大学领导的一个研究小组成功地证明了在几乎完全没有磁场的低温下，自然形成的只有两个原子厚的双层石墨烯的这种效应（Novel quantum effect discovered in naturally occurring graphene）。相关研究结果已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Thomas Weitz, et al. Quantum anomalous Hall octet driven by orbital magnetism in bilayer graphene. Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03849-w。 

来自哥廷根大学、路德维希·马克西米利安慕尼黑大学（Ludwig Maximilian University of Munich）和德克萨斯大学达拉斯分校（University of Texas at Dallas)）)的研究小组使用了天然形式的两层石墨烯。使用标准的微细加工技术接触精致的石墨烯薄片，薄片被定位，使其像一座桥一样自由悬挂，边缘由两个金属触点固定。极干净的双层石墨烯在低温和几乎不可探测的磁场下表现出电阻的量子化。此外，电流的流动没有任何能量损失。产生这种现象的原因是，这种形式的磁性不是由传统磁体中常见的方式(即电子固有磁矩的排列)产生的，而是由石墨烯双层内部带电粒子的运动产生的。

哥廷根大学的托马斯·韦茨(Thomas Weitz)教授说:“换句话说，粒子会产生自己的固有磁场，从而导致电阻的量子化。”

这种效应之所以特别，不仅是因为它需要电场，还因为它有八种不同的形式，可以由外加磁场和电场控制。这就产生了高度的控制，因为这种效应可以被打开和关闭，带电粒子的运动方向可以被逆转。

托马斯·韦茨说:“这使得它成为一个非常有趣的潜在应用候选对象，例如，在自旋电子学领域开发创新的计算机组件，这可能对数据存储有影响。此外，我们可以在一个由简单自然物质组成的系统中显示这种效应，这是一个优势。这与最近流行的’异质结构’(heterostructures)形成了鲜明的对比，后者需要不同材料的复杂而精确的组成。然而，首先，必须进一步研究这种效应，并找到在更高温度下稳定它的方法，因为目前它只发生在绝对零度以上5度(即-268 ℃)。”上述介绍，仅供参考，欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。