在蘇黎世聯邦理工學院，研究人員觀察到一種新的物質狀態：在相對于彼此扭曲的石墨烯層中，兩個電導體組合形成絕緣體。
歐姆定律在物理課上是眾所周知的。它指出導體的電阻和施加在其上的電壓決定了有多少電流流過導體。材料中的電子-帶負電的載流子-以無序的方式移動，并且在很大程度上彼此獨立。然而，當電荷載體彼此之間的影響足夠強烈時，物理學家發現它更有趣。
例如，幾年前發現的“扭曲雙層石墨烯”就是這種情況。該材料由兩個極薄的石墨烯層制成，每個層都由單層碳原子組成。如果兩個相鄰的層相對于彼此稍微扭曲，則電子會受到影響，使它們彼此之間發生強烈的相互作用。因此，材料可以變得超導，從而在沒有任何損失的情況下傳導電流。
由蘇黎世聯邦理工學院固態物理實驗室的克勞斯·恩斯林 (Klaus Ensslin) 和托馬斯·伊恩 (Thomas Ihn) 領導的一組研究人員，以及德克薩斯大學奧斯汀分校（美國）的同事，現已觀察到扭曲雙層石墨烯中的一種新狀態。在這種狀態下，材料中缺少電子的帶負電的電子和帶正電的所謂空穴相互關聯如此之強，以至于材料不再傳導電流。
扭曲的石墨烯層
“在傳統實驗中，石墨烯層相對于彼此扭曲大約一個度，電子的遷移率受到層間量子力學隧道效應的影響”，博士后和該論文的主要作者 Peter Rickhaus 解釋說。 研究最近發表在《Science》雜志上。“相比之下，在我們的新實驗中，我們將兩個雙層石墨烯相對于彼此扭曲了兩度以上，因此電子基本上不再能在雙層之間形成隧道。”
通過耦合增加電阻
因此，通過施加電場，可以在雙層之一中產生電子，而在另一層中產生空穴。 電子和空穴都可以傳導電流。 因此，人們會期望兩個石墨烯雙層一起形成一個電阻更小的更好的導體。
然而，在某些情況下，可能會發生完全相反的情況，正如 Ensslin 團隊的博士后 Folkert de Vries 解釋的那樣：“如果我們調整電場，使電場中的電子和空穴數量相同 雙層，電阻突然急劇增加。” 幾個星期以來，恩斯林和他的合作者無法理解這個令人驚訝的結果，但最終他們的理論同事來自奧斯汀的Allan H. MacDonald給了他們一個決定性的提示：根據MacDonald的說法，他們觀察到了一種新的密度波。
當材料中的電子共同傳導電流并在空間上排列成波時，所謂的電荷密度波通常出現在一維導體中。 在 ETH 研究人員進行的實驗中，現在是電子和空穴通過靜電引力相互配對，從而形成集體密度波。 然而，這種密度波現在由電中性的電子-空穴對組成，因此兩個雙層結合在一起不能再傳導電流。
新的相關狀態
“這是一種全新的電子和空穴相關狀態，它沒有整體電荷”，恩斯林說。 “然而，這種中性狀態可以傳輸信息或傳導熱量。 而且，它的特別之處在于我們可以通過扭轉角度和施加的電壓來完全控制它。” 在其他材料中也觀察到了類似的狀態，其中電子-空穴對（也稱為激子）是通過激光激發產生的。 然而，在 ETH 的實驗中，電子和空穴處于基態或最低能量狀態，這意味著它們的壽命不受自發衰變的限制。
在量子技術中的可能應用
Ensslin 專門研究小型量子系統的電子特性，他已經在推測新相關態的可能實際應用。 然而，這將需要大量的準備工作。 例如，可以在（Fabry-Pérot）諧振器中捕獲電子-空穴對。這是非常苛刻的，因為中性粒子不能直接控制，例如使用電場。 另一方面，狀態是電中性的這一事實可能證明是一個優勢：它可以被利用來使量子存儲器不易受到電場噪聲的影響。
摘自《The Graphene Council》
轉自《石墨烯研究》公眾號
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