研究揭示了双层石墨烯的奇异量子态

普罗维登斯(普罗维登斯)，RI(布朗大学)——来自布朗大学和哥伦比亚大学的研究人员已经证明了在双层石墨烯(一种二维纳米材料)中出现的未知物质状态。这些新状态是分数量子霍尔效应的表现形式，是由石墨烯层内和层间电子的复杂相互作用产生的。

布朗大学物理学助理教授李佳(音译)表示:“研究结果表明，将二维材料紧密堆积在一起，会产生全新的物理效果。”李佳是哥伦比亚大学博士后研究员，与物理学教授科里•迪恩(Cory Dean)和机械工程学教授吉姆•霍恩(Jim Hone)合作开展这项研究的。“就材料工程学而言，这项研究表明，这些分层系统可以创造出利用这些量子霍尔态的新型电子设备。”

这项研究发表在《自然物理》杂志上。

霍尔效应是1879年发现的，当磁场作用于垂直于电流方向的导电材料时产生。磁场使电流发生偏转，产生横向电压，称为霍尔电压。霍尔电压强度随磁场强度的增大而增大。

霍尔效应的量子版本是在低温和强磁场条件下进行的实验中发现的。霍尔效应在上世纪80年代的发现获得了诺贝尔奖。实验表明，霍尔电压不是随着磁场强度的增大而平稳地增大，而是逐步增大(或量子化)。这些步骤是自然基本常数的整数倍，完全独立于实验所用材料的物理组成。

几年后，研究人员在接近绝对零度的温度和很强的磁场下发现了量子霍尔态的新类型，其中霍尔电压中的量子步长对应于分数，因此被称为分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应的发现在1998年获得了另一个诺贝尔奖。理论学家后来提出，分数量子霍尔效应与被称为复合费米子的准粒子的形成有关。在这种状态下，每个电子与一个磁通量子结合，形成一个复合费米子，携带一个电子电荷的一部分，产生霍尔电压的分数值。

复合费米子理论已经成功地解释了在单个量子阱系统中观察到的无数现象。这项新研究使用双层石墨烯来研究两个量子阱靠近时会发生什么。理论认为两层之间的相互作用将产生一种新型的复合费米子，但在实验中从未见过。

在实验中，该团队在哥伦比亚大学多年的工作基础上，改进了石墨烯器件的质量，完全用原子平面二维材料制作了超洁净器件。该结构的核心由两层石墨烯层组成，中间有一层薄的六角形氮化硼作为绝缘屏障。采用六方氮化硼包覆双层结构作为保护绝缘体，石墨作为导电栅改变通道内电荷载流子密度。

“石墨烯惊人的通用性再一次让我们突破了以往设备结构的极限。哥伦比亚大学物理学教授科里·迪恩说。“我们制造这些设备的精确性和可调性，现在让我们可以探索整个物理学领域，而这个领域最近被认为是完全不可企及的。””

石墨烯结构随后暴露在强磁场中——比地球磁场强数百万倍。

这项研究产生了一系列分数量子霍尔态——其中一些与复合费米子模型非常吻合，而另一些则从未被预测或看到过。

“除了层间复合费米子，我们还发现了复合费米子模型中无法解释的其他特征，”论文第一作者之一、哥伦比亚大学(Columbia University)博士后施千惠(Qianhui Shi)说。“一项更仔细的研究显示，令我们惊讶的是，这些新状态是由复合费米子之间的配对产生的。相邻层与同一层之间的配对相互作用产生了各种新的量子现象，使得双层石墨烯成为一个令人兴奋的研究平台。”

“特别令人感兴趣的”，哥伦比亚大学机械工程教授Jim Hone说，“是一些有潜力承载非阿贝耳波函数的新状态——这些状态不太符合传统的复合费米子模型，可能在制造超高速量子计算机方面有用。”在非阿贝尔态中，电子保持着一种对它们过去相对位置的“记忆”。这有可能使量子计算机不需要纠错，而纠错目前是该领域的一个主要障碍。

迪安说:“这是30年来第一批非阿贝尔州的新候选人。“从我们的实验中发现新的物理现象，真是令人兴奋。”

论文的其他合著者还有石倩慧、曾轶航、渡边健二、谷口隆志、霍恩和迪恩。该研究由美国国家科学基金会(DMR-1507788)、大卫和露西尔·帕卡德基金会以及能源部(DE-SC0016703)资助。磁场实验是在佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室进行的，该实验室是由美国国家科学基金会(DMR-1644779)和佛罗里达州资助的用户设施。