石墨烯之父、“诺奖得主” 团队重磅发现：“截然不同” 的物理学，可促成新电子器件的开发

近日，由两位诺贝尔物理学奖获得者领导的曼彻斯特大学的研究团队，在石墨烯基超晶格中发现了一种新的准粒子家族 “布朗 - 扎克费米子”（Brown-Zak fermions）。该研究以《石墨烯超晶格中布朗 - 扎克费米子的远距离弹道传输》为题发表在 Nature Communications 上。论文作者包括 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 这两位诺贝尔物理学奖获得者。

据悉，石墨烯是一种只有一个碳原子厚度的二维材料。此前，Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，借此共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖。其中，Andre 还是世界上唯一一个同时获得过诺贝尔奖和搞笑诺贝尔奖的科学家。

这项工作在石墨烯基材料中发现了新的准粒子家族，这些非同寻常的粒子被称为 Brown-Zak 费米子，它们具有超高频晶体管，有可能实现 2D 材料重大突破，使用这种材料制成的处理器可以在单位时间内进行更多的计算，从而使计算机速度更快。

图 | 相关论文发布于最新一期的 Nature Communications

新的准粒子家族：“布朗 - 扎克费米子”

该团队通过将石墨烯层的原子晶格与绝缘氮化硼片的原子晶格对齐，显著地改变了石墨烯片的特性，实现了这一突破。

这项研究是继多年来石墨烯/氮化硼超晶材料连续取得进展后，得以观察到一种被称为霍夫斯塔德蝶（Hofstadter's butterfly）的分形模式，11 月 13 日研究人员报告了这种结构中的粒子在外加磁场下的另一种非常令人惊讶的行为。

在零磁场中，电子以直线轨迹运动，如果你施加磁场，电子就会开始弯曲，并以圆周运动。

研究人员在已经与氮化硼对齐的石墨烯层中，电子也开始弯曲，但如果你将磁场设定在特定的数值，电子又会以直线轨迹移动，就好像没有磁场了一样，这种行为违背了教科书上物理学。

研究人员将这种奇特的行为归功于高磁场下新型准粒子的形成。这些准粒子有自己独特的特性，尽管磁场极高，但却有特别高的迁移率。

如本次论文所述，这项研究描述了电子在超高质量石墨烯超晶格中的行为，并对霍夫斯塔德蝶的分形特征修订了框架。在过去十年中，石墨烯器件制造和测量技术的根本性改进使得这项工作成为可能。

霍夫施塔特蝴蝶

在凝聚态物理学中，霍夫施塔特蝴蝶描述了晶格磁场中非相互作用二维电子的光谱特性。它在整数量子霍尔效应理论和拓扑量子数理论中起着重要作用。这种光谱的分形、自相似性质由霍夫施塔特在 1976 年的博士论文中提出，是计算机图形学的早期案例之一。

准粒子的概念是凝聚态物理学和量子多体系统中最重要的概念之一。它由理论物理学家 Lev Landau 在 20 世纪 40 年代提出的，用来描述集体效应为 “单粒子激发”，其被用于一些复杂系统中，用以解释多体效应。

截止目前，石墨烯超晶格中集体电子的行为被认为是狄拉克费米子（Dirac fermion），这种准粒子具有类似光子（无质量的粒子）的独特性质，在高磁场下可以复制。然而，这并不能解释一些实验特征，例如状态的附加简并性，也不符合这种状态下准粒子的有限质量。

论文中提出” 布朗・扎克费米子” 是强磁场下存在于超晶格中的准粒子族。其特点是有一个新的量子数，可以直接测量。有趣的是，在较低的温度下工作使他们能够通过超低温下的交换相互作用来提升简并性。

施加磁场的情况下，石墨烯中的电子开始以量子化的轨道旋转。对于布朗 - 扎克费米子，实验人员设法在高达 16T（地球磁场的 50 万倍）的高磁场下恢复了数十微米的直线轨迹。

但是，如果将磁场设置为特定值，电子将再次沿直线轨迹移动，就好像不再有磁场一样，这种行为与教科书中的物理学完全不同。

超大型石墨烯器件

在电子系统中，迁移率被定义为一个粒子在应用电流时的移动能力。在制造石墨烯等二维系统时，高迁移率长期以来一直科研界所追求的，因为这种材料将呈现额外的特性（整数和分数量子霍尔效应），并有可能允许制造超高频晶体管，即计算机处理器的核心部件。

研究人员表示，为了该项研究，他们制备了纯度非常高的特大型石墨烯器件。这使其能够实现几百万厘米 ²/Vs 的迁移率，这意味着粒子将直接穿过整个装置而不会散射。重要的是，这不仅是石墨烯中经典狄拉克费米子的情况，而且也实现了研究中报告的布朗 - 扎克费米子。

这些布朗 - 扎克费米子定义了新的金属态，这种金属态通用于任何超晶格系统，而不仅仅是石墨烯，并为其他基于二维材料的超晶格中新的凝聚态物理问题提供了一个思路。

这些发现于电子传输的基础研究很重要，但研究人员相信，在高磁场下了解新型超晶格器件中的准粒子可以导致新电子器件的发展。

图 | 该研究团队成员

高迁移率意味着用这种器件制成的晶体管可以在更高的频率下工作，使用这种材料制成的处理器可以在单位时间内进行更多的计算，从而使计算机速度更快。应用磁场通常会降低迁移率，使这种器件无法用于某些应用。可以说，布朗 - 扎克费米子在高磁场下的高迁移率为在极端条件下工作的电子器件开辟了新前景。

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参考：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19604-0

https://www.manchester.ac.uk/discover/news/manchester-group-discovers-radically-different-physics-in-graphene-superlattices/

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-11/uom-mgd111220.php