來自曼徹斯特大學、諾丁漢大學和拉夫堡大學的科學家發(fā)現(xiàn)了一種量子現(xiàn)象，有助于理解石墨烯電子的基本極限。該研究發(fā)表在《自然通訊》上，描述了單原子薄片石墨烯中的電子是如何驅散構成六角形晶格的振動碳原子。

通過施加垂直于石墨烯平面的磁場，載流電子被迫進入封閉的圓形“回旋”軌道。在純石墨烯中，電子脫離軌道的唯一途徑是在散射事件中通過“聲子”反彈。

這些聲子是粒子狀的能量和動量束，是與振動碳原子相關的聲波“量子”。當石墨烯晶體在非常低的溫度下升溫時，聲子的數(shù)量會越來越多。通過在石墨烯片上傳遞小電流，研究小組能夠精確測量散射事件中電子和聲子之間傳遞的能量和動量。實驗揭示了兩種類型的聲子散射電子：橫向聲子(TA)，其中碳原子垂直于聲子的傳播和波動方向振動(有點類似于水面上的表面波)；縱向聲子(LA)，其中碳原子沿聲子和波動方向來回振動(這種運動在某種程度上類似于聲波在空氣中的運動)。

這些測量提供了對這兩種聲子速度非常精確的測量，否則很難對單個原子層進行測量。實驗的一個重要結果是發(fā)現(xiàn)橫向聲子聲子散射優(yōu)于縱向聲聲子散射。這種被觀察到的現(xiàn)象，通常被稱為磁振子振蕩，在石墨烯發(fā)現(xiàn)之前的許多年就已經在半導體中測量過了。是最古老的量子輸運現(xiàn)象之一，早于量子霍爾效應，50多年前就為人所知。盡管石墨烯具有許多新穎奇特的電子特性，但這一相當基本的現(xiàn)象仍未被發(fā)現(xiàn)。

該研究的合著者勞倫斯?埃夫斯和羅山?克里希納?庫馬爾表示：我們驚喜地發(fā)現(xiàn)石墨烯中出現(xiàn)了如此顯著的磁振子振蕩，考慮到石墨烯中量子輸運的大量文獻，我們也很困惑為什么人們以前沒有見過它們。需要兩個關鍵因素，首先該團隊必須在國家石墨烯研究所(National graphene Institute)制造大面積的高質量石墨烯晶體管，如果設備的尺寸小于幾微米，就無法觀察到這種現(xiàn)象。第一作者，曼徹斯特大學的Piranavan Kumaravadivel說：在量子輸運實驗的初期，人們習慣于研究宏觀、毫米大小的晶體。

在石墨烯量子傳輸?shù)拇蟛糠盅芯恐?，所研究的器件通常只有幾微米大小?？磥?，制造更大的石墨烯器件不僅對應用很重要，對基礎研究也很重要。第二個因素是溫度。大多數(shù)石墨烯量子輸運實驗都是在超冷溫度下進行，目的是為了減緩振動的碳原子和“凍結”通常會破壞量子相干性的聲子。因此，石墨烯被加熱，因為聲子需要激活才能產生這種效果。這個結果非常令人興奮，為探索二維晶體中聲子的性質及其異質結構開辟了一條新途徑。

博科園｜研究/來自：曼徹斯特大學

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11379-3

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