由两个导体构成的绝缘体

在苏黎世联邦理工学院，研究人员观察到一种新的物质状态：在相对于彼此扭曲的石墨烯层中，两个电导体组合形成绝缘体。

欧姆定律在物理课上是众所周知的。它指出导体的电阻和施加在其上的电压决定了有多少电流流过导体。材料中的电子-带负电的载流子-以无序的方式移动，并且在很大程度上彼此独立。然而，当电荷载体彼此之间的影响足够强烈时，物理学家发现它更有趣。

例如，几年前发现的“扭曲双层石墨烯”就是这种情况。该材料由两个极薄的石墨烯层制成，每个层都由单层碳原子组成。如果两个相邻的层相对于彼此稍微扭曲，则电子会受到影响，使它们彼此之间发生强烈的相互作用。因此，材料可以变得超导，从而在没有任何损失的情况下传导电流。

由苏黎世联邦理工学院固态物理实验室的克劳斯·恩斯林 (Klaus Ensslin) 和托马斯·伊恩 (Thomas Ihn) 领导的一组研究人员，以及德克萨斯大学奥斯汀分校（美国）的同事，现已观察到扭曲双层石墨烯中的一种新状态。在这种状态下，材料中缺少电子的带负电的电子和带正电的所谓空穴相互关联如此之强，以至于材料不再传导电流。

扭曲的石墨烯层

“在传统实验中，石墨烯层相对于彼此扭曲大约一个度，电子的迁移率受到层间量子力学隧道效应的影响”，博士后和该论文的主要作者 Peter Rickhaus 解释说。研究最近发表在《Science》杂志上。“相比之下，在我们的新实验中，我们将两个双层石墨烯相对于彼此扭曲了两度以上，因此电子基本上不再能在双层之间形成隧道。”

通过耦合增加电阻

因此，通过施加电场，可以在双层之一中产生电子，而在另一层中产生空穴。 电子和空穴都可以传导电流。因此，人们会期望两个石墨烯双层一起形成一个电阻更小的更好的导体。

然而，在某些情况下，可能会发生完全相反的情况，正如 Ensslin 团队的博士后 Folkert de Vries 解释的那样：“如果我们调整电场，使电场中的电子和空穴数量相同 双层，电阻突然急剧增加。” 几个星期以来，恩斯林和他的合作者无法理解这个令人惊讶的结果，但最终他们的理论同事来自奥斯汀的Allan H. MacDonald给了他们一个决定性的提示：根据MacDonald的说法，他们观察到了一种新的密度波。

当材料中的电子共同传导电流并在空间上排列成波时，所谓的电荷密度波通常出现在一维导体中。 在 ETH 研究人员进行的实验中，现在是电子和空穴通过静电引力相互配对，从而形成集体密度波。然而，这种密度波现在由电中性的电子-空穴对组成，因此两个双层结合在一起不能再传导电流。

新的相关状态

“这是一种全新的电子和空穴相关状态，它没有整体电荷”，恩斯林说。“然而，这种中性状态可以传输信息或传导热量。而且，它的特别之处在于我们可以通过扭转角度和施加的电压来完全控制它。” 在其他材料中也观察到了类似的状态，其中电子-空穴对（也称为激子）是通过激光激发产生的。然而，在 ETH 的实验中，电子和空穴处于基态或最低能量状态，这意味着它们的寿命不受自发衰变的限制。

在量子技术中的可能应用

Ensslin 专门研究小型量子系统的电子特性，他已经在推测新相关态的可能实际应用。然而，这将需要大量的准备工作。例如，可以在（Fabry-Pérot）谐振器中捕获电子-空穴对。这是非常苛刻的，因为中性粒子不能直接控制，例如使用电场。另一方面，状态是电中性的这一事实可能证明是一个优势：它可以被利用来使量子存储器不易受到电场噪声的影响。

摘自《The Graphene Council》