近日，由兩位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者領(lǐng)導(dǎo)的曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，在石墨烯基超晶格中發(fā)現(xiàn)了一種新的準(zhǔn)粒子家族 “布朗 - 扎克費(fèi)米子”（Brown-Zak fermions）。該研究以《石墨烯超晶格中布朗 - 扎克費(fèi)米子的遠(yuǎn)距離彈道傳輸》為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

論文作者包括 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 這兩位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。 據(jù)悉，石墨烯是一種只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。此前，Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，借此共同獲得 2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，Andre 還是世界上唯一一個(gè)同時(shí)獲得過諾貝爾獎(jiǎng)和搞笑諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。 這項(xiàng)工作在石墨烯基材料中發(fā)現(xiàn)了新的準(zhǔn)粒子家族，這些非同尋常的粒子被稱為 Brown-Zak 費(fèi)米子，它們具有超高頻晶體管，有可能實(shí)現(xiàn) 2D 材料重大突破，使用這種材料制成的處理器可以在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的計(jì)算，從而使計(jì)算機(jī)速度更快。

圖 | 相關(guān)論文發(fā)布于最新一期的 Nature Communications 新的準(zhǔn)粒子家族：“布朗 - 扎克費(fèi)米子” 該團(tuán)隊(duì)通過將石墨烯層的原子晶格與絕緣氮化硼片的原子晶格對齊，顯著地改變了石墨烯片的特性，實(shí)現(xiàn)了這一突破。 這項(xiàng)研究是繼多年來石墨烯/氮化硼超晶材料連續(xù)取得進(jìn)展后，得以觀察到一種被稱為霍夫斯塔德蝶（Hofstadter's butterfly）的分形模式，11 月 13 日研究人員報(bào)告了這種結(jié)構(gòu)中的粒子在外加磁場下的另一種非常令人驚訝的行為。

在零磁場中，電子以直線軌跡運(yùn)動(dòng)，如果你施加磁場，電子就會(huì)開始彎曲，并以圓周運(yùn)動(dòng)。 研究人員在已經(jīng)與氮化硼對齊的石墨烯層中，電子也開始彎曲，但如果你將磁場設(shè)定在特定的數(shù)值，電子又會(huì)以直線軌跡移動(dòng)，就好像沒有磁場了一樣，這種行為違背了教科書上物理學(xué)。 研究人員將這種奇特的行為歸功于高磁場下新型準(zhǔn)粒子的形成。這些準(zhǔn)粒子有自己獨(dú)特的特性，盡管磁場極高，但卻有特別高的遷移率。 如本次論文所述，這項(xiàng)研究描述了電子在超高質(zhì)量石墨烯超晶格中的行為，并對霍夫斯塔德蝶的分形特征修訂了框架。在過去十年中，石墨烯器件制造和測量技術(shù)的根本性改進(jìn)使得這項(xiàng)工作成為可能。 霍夫施塔特蝴蝶

在凝聚態(tài)物理學(xué)中，霍夫施塔特蝴蝶描述了晶格磁場中非相互作用二維電子的光譜特性。它在整數(shù)量子霍爾效應(yīng)理論和拓?fù)淞孔訑?shù)理論中起著重要作用。這種光譜的分形、自相似性質(zhì)由霍夫施塔特在 1976 年的博士論文中提出，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的早期案例之一。 準(zhǔn)粒子的概念是凝聚態(tài)物理學(xué)和量子多體系統(tǒng)中最重要的概念之一。它由理論物理學(xué)家 Lev Landau 在 20 世紀(jì) 40 年代提出的，用來描述集體效應(yīng)為 “單粒子激發(fā)”，其被用于一些復(fù)雜系統(tǒng)中，用以解釋多體效應(yīng)。 截止目前，石墨烯超晶格中集體電子的行為被認(rèn)為是狄拉克費(fèi)米子（Dirac fermion），這種準(zhǔn)粒子具有類似光子（無質(zhì)量的粒子）的獨(dú)特性質(zhì)，在高磁場下可以復(fù)制。

然而，這并不能解釋一些實(shí)驗(yàn)特征，例如狀態(tài)的附加簡并性，也不符合這種狀態(tài)下準(zhǔn)粒子的有限質(zhì)量。 論文中提出” 布朗?扎克費(fèi)米子” 是強(qiáng)磁場下存在于超晶格中的準(zhǔn)粒子族。其特點(diǎn)是有一個(gè)新的量子數(shù)，可以直接測量。有趣的是，在較低的溫度下工作使他們能夠通過超低溫下的交換相互作用來提升簡并性。 施加磁場的情況下，石墨烯中的電子開始以量子化的軌道旋轉(zhuǎn)。對于布朗 - 扎克費(fèi)米子，實(shí)驗(yàn)人員設(shè)法在高達(dá) 16T（地球磁場的 50 萬倍）的高磁場下恢復(fù)了數(shù)十微米的直線軌跡。 但是，如果將磁場設(shè)置為特定值，電子將再次沿直線軌跡移動(dòng)，就好像不再有磁場一樣，這種行為與教科書中的物理學(xué)完全不同。

超大型石墨烯器件 在電子系統(tǒng)中，遷移率被定義為一個(gè)粒子在應(yīng)用電流時(shí)的移動(dòng)能力。在制造石墨烯等二維系統(tǒng)時(shí)，高遷移率長期以來一直科研界所追求的，因?yàn)檫@種材料將呈現(xiàn)額外的特性（整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)），并有可能允許制造超高頻晶體管，即計(jì)算機(jī)處理器的核心部件。 研究人員表示，為了該項(xiàng)研究，他們制備了純度非常高的特大型石墨烯器件。這使其能夠?qū)崿F(xiàn)幾百萬厘米 2/Vs 的遷移率，這意味著粒子將直接穿過整個(gè)裝置而不會(huì)散射。重要的是，這不僅是石墨烯中經(jīng)典狄拉克費(fèi)米子的情況，而且也實(shí)現(xiàn)了研究中報(bào)告的布朗 - 扎克費(fèi)米子。 這些布朗 - 扎克費(fèi)米子定義了新的金屬態(tài)，這種金屬態(tài)通用于任何超晶格系統(tǒng)，而不僅僅是石墨烯，并為其他基于二維材料的超晶格中新的凝聚態(tài)物理問題提供了一個(gè)思路。 這些發(fā)現(xiàn)于電子傳輸?shù)幕A(chǔ)研究很重要，但研究人員相信，在高磁場下了解新型超晶格器件中的準(zhǔn)粒子可以導(dǎo)致新電子器件的發(fā)展。

高遷移率意味著用這種器件制成的晶體管可以在更高的頻率下工作，使用這種材料制成的處理器可以在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的計(jì)算，從而使計(jì)算機(jī)速度更快。應(yīng)用磁場通常會(huì)降低遷移率，使這種器件無法用于某些應(yīng)用?？梢哉f，布朗 - 扎克費(fèi)米子在高磁場下的高遷移率為在極端條件下工作的電子器件開辟了新前景。

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原文標(biāo)題：石墨烯之父、“諾獎(jiǎng)得主” 團(tuán)隊(duì)重磅發(fā)現(xiàn)：“截然不同” 的物理學(xué)，可促成新電子器件的開發(fā)

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