神奇材料石墨烯再次震撼:打破磁阻记录

诸平

In a paper published in the journal Nature on April 12, 2023, researchers from The University of Manchester report record-high magnetoresistance that appears in graphene under ambient conditions.

据英国曼彻斯特大学（University of Manchester, Manchester, UK）2023年4月20日提供的消息，神奇材料石墨烯再次震撼:打破磁阻记录（Wonder Material Graphene Stuns Again: Shatters Magnetoresistance Records）。相关研究结果于2023年4月12日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Na Xin, James Lourembam, Piranavan Kumaravadivel, A. E. Kazantsev, Zefei Wu, Ciaran Mullan, Julien Barrier, Alexandra A. Geim, I. V. Grigorieva, A. Mishchenko, A. Principi, V. I. Fal’ko, L. A. Ponomarenko, A. K. Geim, Alexey I. Berdyugin. Giant magnetoresistance of Dirac plasma in high-mobility graphene. Nature, 2023, 616: 270–274. DOI: 10.1038/s41586-023-05807-0. Published: 12 April 2023. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05807-0

参与此项研究的除了来自英国曼彻斯特大学的研究人员之外，还有来自英国兰开斯特大学（University of Lancaster, Lancaster, UK）以及新加坡国立大学（National University of Singapore, Singapore, Singapore）的研究人员。

在此文中，研究人员发现，在环境条件下，石墨烯的磁电阻（magnetoresistance）达到了创纪录的高水平。该团队利用高质量的石墨烯在其固有状态下，创造了一个快速移动的狄拉克费米子（Dirac Fermions）等离子体，尽管频繁散射，但仍表现出惊人的高迁移率。这个巨磁电阻（giant magnetoresistance）的发现可以帮助解决长期以来围绕奇怪金属和线性磁电阻的谜团。这一发现的潜在应用跨越了各个行业，因为具有强磁阻响应的材料在汽车和计算机中的磁传感器中受到高度追捧。

曼彻斯特大学的研究人员在石墨烯中发现了创纪录的高磁电阻，这为理解奇怪金属和在磁传感器中的应用提供了潜在的突破。在2023年4月12日发表在《自然》杂志上的这篇论文中，英国曼彻斯特大学的研究人员报告说，在环境条件下，石墨烯（graphene）中出现了创纪录的高磁电阻。

在磁场下能强烈改变其电阻率的材料被广泛应用，例如，每辆汽车和每台计算机都包含许多微小的磁传感器。这样的材料非常罕见，而且大多数金属和半导体在室温和实际可行的磁场中，其电阻率的变化微乎其微，通常小于百分之一的百万分之一即不足亿分之一（typically, by less than a millionth of 1 %）。为了观察强磁阻响应，研究人员通常会将材料冷却到液氦温度，这样内部的电子散射就会减少，并且可以遵循回旋加速器的轨迹。

现在，由2010年诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 2010）获得者安德烈·海姆（Andre Geim）教授领导的一个研究小组发现，在过去的20年里，人们似乎对优质的石墨烯的每一个细节都进行了研究，它表现出了非常强烈的反应，在标准永磁体(大约1000高斯)的磁场中，石墨烯的反应率达到了100%以上。这是所有已知材料的磁电阻率记录。

在谈到石墨烯的最新发现时，安德烈·海姆爵士（Sir Andre Geim）说:“像我这样从事石墨烯研究的人总是觉得，这个物理学的金矿早就应该开采殆尽了。这种材料不断证明我们寻找另一个化身是错误的。今天我不得不再次承认，石墨烯已经死了，石墨烯万岁。”

“People working on graphene like myself always felt that this gold mine of physics should have been exhausted long ago. The material continuously proves us wrong finding yet another incarnation. Today I have to admit again that graphene is dead, long live graphene.”

—     Professor Sir Andre Geim

为了实现这一目标，研究人员使用了高质量的石墨烯，并将其调整到其固有的原始状态，在这种状态下，只有被温度激发的载荷子（charge carriers）。这创造了一个快速移动的狄拉克费米子（“Dirac fermions”）等离子体，尽管经常散射，但却表现出惊人的高迁移率。这种狄拉克等离子体（Dirac plasma）的高迁移率和中立性是报道的巨磁电阻（giant magnetoresistance）的关键组成部分。

“在过去的10年里，石墨烯器件的电子质量有了显著的提高，每个人似乎都把注意力集中在寻找低液氦温度下的新现象上，而忽略了环境条件下发生的事情。这也许并不奇怪，因为你的样品越冷，它的行为就越有趣。我们决定把温度调高，出乎意料地出现了大量意想不到的现象，”该论文的通讯作者阿列克谢·伯尔久金博士（Dr. Alexey Berdyugin）说。

除了创纪录的磁电阻率外，研究人员还发现，在高温下，中性石墨烯变成了一种所谓的“奇怪金属”（“strange metal”）。这是给电子散射最终变得快速的材料的名字，只能由海森堡测不准原理（Heisenberg uncertainty principle）决定。人们对奇怪金属的行为知之甚少，目前仍在世界范围内进行研究。

曼彻斯特大学的研究为这一领域增添了更多的神秘感，它表明石墨烯在几个特斯拉（Tesla）以上的磁场中表现出巨大的线性磁电阻（giant linear magnetoresistance），这种磁电阻对温度的依赖性很弱。这个高磁场磁电阻再次打破了纪录。

线性磁电阻现象自首次被观察到以来，一个多世纪以来一直就是一个谜。目前曼彻斯特大学的工作为奇怪的金属行为和线性磁电阻的起源提供了重要的线索。也许，由于石墨烯代表了一种干净、特性良好、相对简单的电子系统，这些谜团现在终于可以解开了。

“室温下未掺杂的高质量石墨烯为探索一种全新的体系提供了机会，这种体系在原则上甚至在十年前就可以被发现，但不知何原因却被大家所忽视。我们计划研究这种奇怪的金属体系，当然，更多有趣的结果、现象和应用将随之而来，”上述《自然》杂志论文的主要作者之一、英国兰开斯特大学的列昂尼德·波诺马伦科博士（Dr. Leonid Ponomarenko）补充道。

本研究得到了欧洲研究理事会(European Research Council grant VANDER)、劳氏船级社基金会（Lloyd’s Register Foundation）、石墨烯旗舰核心3项目（Graphene Flagship Core3 Project）、英国工程与物理科学研究委员会 (EPSRC grants EP/W006502, EP/V007033 and EP/S030719)、欧盟地平线2020计划（EU Horizon 2020 programme under the Marie Skłodowska-Curie grants 891778 and 873028）、利华休姆信托基金（Leverhulme Trust grant RPG-2019-363）的资助或支持。

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Abstract

The most recognizable feature of graphene’s electronic spectrum is its Dirac point, around which interesting phenomena tend to cluster. At low temperatures, the intrinsic behaviour in this regime is often obscured by charge inhomogeneity^1,2 but thermal excitations can overcome the disorder at elevated temperatures and create an electron–hole plasma of Dirac fermions. The Dirac plasma has been found to exhibit unusual properties, including quantum-critical scattering^3,4,5 and hydrodynamic flow^6,7,8. However, little is known about the plasma’s behaviour in magnetic fields. Here we report magnetotransport in this quantum-critical regime. In low fields, the plasma exhibits giant parabolic magnetoresistivity reaching more than 100 per cent in a magnetic field of 0.1 tesla at room temperature. This is orders-of-magnitude higher than magnetoresistivity found in any other system at such temperatures. We show that this behaviour is unique to monolayer graphene, being underpinned by its massless spectrum and ultrahigh mobility, despite frequent (Planckian limit) scattering^{3,4,5,9,10,11,12,13,14}. With the onset of Landau quantization in a magnetic field of a few tesla, where the electron–hole plasma resides entirely on the zeroth Landau level, giant linear magnetoresistivity emerges. It is nearly independent of temperature and can be suppressed by proximity screening¹⁵, indicating a many-body origin. Clear parallels with magnetotransport in strange metals^12,13,14 and so-called quantum linear magnetoresistance predicted for Weyl metals¹⁶ offer an interesting opportunity to further explore relevant physics using this well defined quantum-critical two-dimensional system.