MIT物理学家为电子打造了一条五车道量子高速公路

诸平

Fig. 1 Artist’s rendition of a newly discovered superhighway for electrons that can occur in rhombohedral graphene. “We found a goldmine, and every scoop is revealing something new,” says MIT Assistant Professor Long Ju. Credit: Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics

Fig. 2 Six of the MIT physicists who created a five-lane superhighway for electrons are (left to right) graduate students Jixiang Yang, Junseok Seo, and Tonghang Han; visiting undergraduate student Yuxuan Yao; Assistant Professor Long Ju; and postdoc Zhengguang Lu. Credit: Shenyong Ye

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT, Cambridge, MA, USA）材料科学实验室（MIT Materials Research Laboratory）伊丽莎白·汤姆森（Elizabeth A. Thomson）2024年6月28日在《科技日报》（SciTechDaily）网站发表的报道，麻省理工学院物理学家为电子打造了一条五车道量子高速公路（MIT Physicists Forge a Five-Lane Quantum Superhighway for Electrons）。

麻省理工学院的物理学家们开发了一种新型石墨烯，创造了一个五车道的电子高速公路，允许超高效的电子运动而不损失能量。

在菱面体五层石墨烯（rhombohedral pentalayer graphene）方面的突破可以改变低功耗电子器件，并通过零磁场下的量子反常霍尔效应（quantum anomalous Hall effect）进行操作。

麻省理工学院的物理学家和他们的合作者创造了一条五车道的电子高速公路，可以实现超高效的电子产品等等。相关研究于2024年5月9日已经在《科学》(Science) 杂志在线发表——Tonghang Han, Zhengguang Lu, Yuxuan Yao, Jixiang Yang, Junseok Seo, Chiho Yoon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu, Fan Zhang, Long Ju. Large quantum anomalous Hall effect in spin-orbit proximitized rhombohedral graphene. Science, 2024 May 10; 384(6696): 647-651. DOI: 10.1126/science.adk9749. Epub 2024 May 9. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38723084/

参与此项研究的除了来自美国MIT的研究人员之外，还有来自美国德克萨斯大学达拉斯分校（University of Texas at Dallas, Richardson, TX, USA）以及日本国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science, 1-1 Namiki, Tsukuba, Japan）的研究人员。这项研究是同一个团队在过去一年中发现的几项重要发现之一，这些发现涉及一种独特形式的石墨烯材料。

“这一发现对低功率电子设备具有直接意义，因为在电子传播过程中没有能量损失，而在电子分散的常规材料中则不是这样，”MIT物理系助理教授、上述《科学》（Science）论文的通讯作者鞠龙（Long Ju）说。

这种现象类似于在开放的高速公路上行驶的汽车，而不是穿过社区的汽车。附近的汽车可能会被其他司机突然停车或掉头，扰乱原本顺畅的通勤。

一种新材料:菱形石墨烯（A New Material: Rhombohedral Graphene）

这项工作背后的材料被称为菱形五层石墨烯（rhombohedral pentalayer graphene），是两年前由鞠龙领导的物理学家发现的。同时在麻省理工学院材料研究实验室工作的鞠龙说:“我们发现了金矿，每一个铲都会揭示一些新的东西。”

在2023年10月发表于《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）的一篇论文中，鞠龙及其同事报告了菱形石墨烯的3个重要特性（MIT Physicists Transform Pencil Lead Into Electronic “Gold”）。例如，他们表明，它可以是拓扑的，或者允许电子在材料的边缘不受阻碍地移动，但不能通过中间。这就形成了高速公路，但需要使用比地球磁场强数万倍的强磁场。原文详见：Tonghang Han, Zhengguang Lu, Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang, Tianyi Han, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Hongkun Park, Long Ju. Correlated insulator and Chern insulators in pentalayer rhombohedral-stacked graphene. Nature Nanotechnology, 2024 Feb; 19(2): 181-187. DOI: 10.1038/s41565-023-01520-1. Epub 2023 Oct 5.

增强石墨烯的电子通道(Enhancing Graphene’s Electron Channels)

在目前的工作中，该团队报告了在没有磁场的情况下创造超级公路的情况。

上述《科学》(Science) 杂志发表的论文的共同第一作者之一，麻省理工学院物理学研究生韩同航（Tonghang Han音译）说：“我们并不是第一个发现这种普遍现象的人，但我们是在一个非常不同的系统中发现的。与以前的系统相比，我们的系统更简单，也支持更多的电子通道。”鞠龙解释说：“其他材料只能在材料的边缘上支撑一条车道的交通。我们突然增加到5个。”

《科学》(Science) 杂志发表的论文的其他两位共同第一作者是卢正光（Zhengguang Lu音译）和姚宇轩（Yuxuan Yao音译），他们对这项工作做出了同样的贡献。卢正光是材料研究实验室的博士后。姚宇轩作为一名来自中国北京清华大学（Tsinghua University）的访问本科生参与进行了这项研究工作。

其他作者包括麻省理工学院物理学教授傅亮（Liang Fu音译），杨吉祥（Jixiang Yang）和Junseok Seo，他们都是麻省理工学院的物理学研究生;德克萨斯大学达拉斯分校的Chiho Yoon和张凡（Fan Zhang音译）;以及日本国立材料科学研究所的渡邊賢司（Kenji Watanabe）和谷口尚（Takashi Taniguchi）。

它是如何工作的（How It Works）

石墨是铅笔芯的主要成分，由多层石墨烯组成，单层碳原子呈六边形排列，类似蜂窝结构。菱形石墨烯由五层石墨烯按特定的重叠顺序堆叠而成。

鞠龙和他的同事们分离出了菱形石墨烯，这要归功于鞠龙于2021年在麻省理工学院建造的一种新型显微镜（novel microscope），这种显微镜可以在纳米尺度上快速且相对便宜地确定材料的各种重要特性。五层菱形堆叠的石墨烯只有几十亿分之一米厚。

在目前的工作中，研究小组对原来的系统进行了修补，增加了一层二硫化钨(WS₂)。鞠龙说：“WS₂和五层菱形石墨烯之间的相互作用导致了这条在零磁场下运行的五车道高速公路。”

与超导的比较（Comparison to Superconductivity）

鞠龙小组在菱形石墨烯中发现的这种现象，允许电子在零磁场下无电阻地移动，被称为量子反常霍尔效应（quantum anomalous Hall effect简称QAHE）。大多数人更熟悉的是超导性，这是一种完全不同的现象，虽然它会做同样的事情，但发生在非常不同的材料中。

鞠龙指出，虽然超导体在20世纪10年代就被发现了，但它花了大约100年的研究才使系统在应用所需的更高温度下工作。他指出，“世界纪录仍远低于室温。”

同样，菱形石墨烯高速公路目前的工作温度约为2开尔文（2 K），即零下456华氏度(-456 °F)。“提高温度需要付出很多努力，但作为物理学家，我们的工作提供了洞察;这是认识这一现象的另一种方式。”

影响及未来展望（Implications and Future Prospects）

有关菱形石墨烯的发现是艰苦研究的结果，但并不一定有效。“我们在好几个月的时间里尝试了很多方法，”韩同航说，“所以当我们把系统冷却到非常低的温度时，(一条在零磁场下运行的五车道超级公路)就出现了，这是非常令人兴奋的。”

鞠龙说，“成为第一个在一个新系统中发现一种现象的人是非常令人兴奋的，尤其是在我们发现的材料中。”

这项工作得到了斯隆研究奖（Sloan Research Fellowships - Alfred P. Sloan Foundation）、美国国家科学基金会（U.S. National Science Foundation）、美国国防部负责研究与工程的副部长办公室（U.S. Office of the Under Secretary of Defense for Research and Engineering）、日本学术振兴会(Japan Society for the Promotion of Science KAKENHI);以及日本的世界一流国际研究计划（World Premier International Research Initiative of Japan）的支持或资助。

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。

Abstract

The quantum anomalous Hall effect (QAHE) is a robust topological phenomenon that features quantized Hall resistance at zero magnetic field. We report the QAHE in a rhombohedral pentalayer graphene-monolayer tungsten disulfide (WS₂) heterostructure. Distinct from other experimentally confirmed QAHE systems, this system has neither magnetic element nor moiré superlattice effect. The QAH states emerge at charge neutrality and feature Chern numbers C = ±5 at temperatures of up to about 1.5 kelvin. This large QAHE arises from the synergy of the electron correlation in intrinsic flat bands of pentalayer graphene, the gate-tuning effect, and the proximity-induced Ising spin-orbit coupling. Our experiment demonstrates the potential of crystalline two-dimensional materials for intertwined electron correlation and band topology physics and may enable a route for engineering chiral Majorana edge states.