新量子现象揭示石墨烯电子的基本极限！

新量子现象揭示石墨烯电子的基本极限！

来自曼彻斯特大学、诺丁汉大学和拉夫堡大学的科学家发现了一种量子现象，有助于理解石墨烯电子的基本极限。该研究发表在《自然通讯》上，描述了单原子薄片石墨烯中的电子是如何驱散构成六角形晶格的振动碳原子。通过施加垂直于石墨烯平面的磁场，载流电子被迫进入封闭的圆形“回旋”轨道。在纯石墨烯中，电子脱离轨道的唯一途径是在散射事件中通过“声子”反弹。

这些声子是粒子状的能量和动量束，是与振动碳原子相关的声波“量子”。当石墨烯晶体在非常低的温度下升温时，声子的数量会越来越多。通过在石墨烯片上传递小电流，研究小组能够精确测量散射事件中电子和声子之间传递的能量和动量。实验揭示了两种类型的声子散射电子：横向声子(TA)，其中碳原子垂直于声子的传播和波动方向振动(有点类似于水面上的表面波)；纵向声子(LA)，其中碳原子沿声子和波动方向来回振动(这种运动在某种程度上类似于声波在空气中的运动)。

这些测量提供了对这两种声子速度非常精确的测量，否则很难对单个原子层进行测量。实验的一个重要结果是发现横向声子声子散射优于纵向声声子散射。这种被观察到的现象，通常被称为磁振子振荡，在石墨烯发现之前的许多年就已经在半导体中测量过了。是最古老的量子输运现象之一，早于量子霍尔效应，50多年前就为人所知。尽管石墨烯具有许多新颖奇特的电子特性，但这一相当基本的现象仍未被发现。

该研究的合著者劳伦斯埃夫斯和罗山克里希纳库马尔表示：我们惊喜地发现石墨烯中出现了如此显著的磁振子振荡，考虑到石墨烯中量子输运的大量文献，我们也很困惑为什么人们以前没有见过它们。需要两个关键因素，首先该团队必须在国家石墨烯研究所(National graphene Institute)制造大面积的高质量石墨烯晶体管，如果设备的尺寸小于几微米，就无法观察到这种现象。第一作者，曼彻斯特大学的Piranavan Kumaravadivel说：在量子输运实验的初期，人们习惯于研究宏观、毫米大小的晶体。

在石墨烯量子传输的大部分研究中，所研究的器件通常只有几微米大小。看来，制造更大的石墨烯器件不仅对应用很重要，对基础研究也很重要。第二个因素是温度。大多数石墨烯量子输运实验都是在超冷温度下进行，目的是为了减缓振动的碳原子和“冻结”通常会破坏量子相干性的声子。因此，石墨烯被加热，因为声子需要激活才能产生这种效果。这个结果非常令人兴奋，为探索二维晶体中声子的性质及其异质结构开辟了一条新途径。

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