曼彻斯特大学 信用:CC0公共领域 由安德烈·海姆爵士和Dr
曼彻斯特大学的阿列克谢·伯蒂金在石墨烯基超晶格中发现并表征了一个名为“布朗-扎克费米子”的新准粒子家族
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准，极大地改变了石墨烯片的性质，从而实现了这一突破
这项研究是在石墨烯-氮化硼超晶格连续多年的进展之后进行的，这些进展使得人们可以观察到一种被称为霍夫斯塔德蝴蝶的分形图案——今天(11月13日星期五)，研究人员报告了在外加磁场下这种结构中粒子的另一种非常令人惊讶的行为
“众所周知，在零磁场中，电子以直线轨迹运动，如果你施加一个磁场，它们开始弯曲并绕圈运动”，朱利安·巴里德博士解释说
进行实验工作的皮拉那万·库马拉瓦迪维尔
“在与氮化硼对齐的石墨烯层中，电子也开始弯曲——但是如果你将磁场设置为特定的值，电子会再次以直线轨迹移动，就好像再也没有磁场了！” “这种行为与教科书上的物理学完全不同
”博士补充道
Piranavan Kumaravadivel
“我们把这种迷人的行为归因于在高磁场下新的准粒子的形成，”博士说
Alexey Berdyugin
“尽管磁场非常强，但这些准粒子有其独特的性质和极高的迁移率
" 这项发表在《自然通讯》上的工作描述了电子在超高质量石墨烯超晶格中的行为，并对霍夫斯塔德蝴蝶的分形特征进行了框架修正
在过去的十年里，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
“准粒子的概念可以说是凝聚态物理和量子多体系统中最重要的概念之一
“这是由理论物理学家列夫·兰道在20世纪40年代提出的，用来将集体效应描述为‘单粒子激发’”，朱利安·巴里解释道，“它们被用于许多复杂系统，以解释多体效应
" 到目前为止，石墨烯超晶格中集体电子的行为被认为是狄拉克费米子现象，这是一种准粒子，具有类似光子(没有质量的粒子)的独特性质，在高磁场下复制
然而，这并没有考虑到一些实验特征，如态的附加简并性，也没有与这种状态下准粒子的有限质量相匹配
作者提出布朗-扎克费米子是在强磁场下存在于超晶格中的准粒子族
这是以一个可以直接测量的新量子数为特征的
有趣的是，在较低温度下工作使他们能够在超低温下通过交换相互作用来提升简并度
“在磁场的存在下，石墨烯中的电子开始以量化的轨道旋转
对于布朗-扎克费米子，我们设法在高达16T (500，000倍于地球磁场)的强磁场下恢复了几十微米的直线轨道
在特定条件下，弹道准粒子感觉不到有效的磁场
库马拉瓦迪维尔和博士
Berdyugin
在电子系统中，迁移率被定义为粒子在施加电流时移动的能力
高迁移率长期以来一直是制造石墨烯等二维系统的圣杯，因为这种材料会提供额外的特性(整数和分数量子霍尔效应)，并有可能创造超高频晶体管，这是计算机处理器的核心组件
“在这项研究中，我们制备了超大型纯度极高的石墨烯器件”
博士说
Kumaravadivel
这使我们能够实现数百万厘米/秒的迁移率，这意味着粒子将直接穿过整个设备而不会散射
重要的是，这不仅适用于石墨烯中的经典狄拉克费米子，也适用于工作中报道的布朗-扎克费米子
这些布朗-扎克费米子定义了新的金属态，这是任何超晶格系统的共性，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游乐场
朱利安·巴瑞补充道:“当然，这些发现对于电子输运的基础研究很重要，但是我们相信，了解强磁场下新型超晶格器件中的准粒子可以导致新电子器件的发展
" 高迁移率意味着由这种器件制成的晶体管可以在更高的频率下工作，允许由这种材料制成的处理器在单位时间内执行更多的计算，从而产生更快的计算机
施加磁场通常会降低移动性，并使这种设备不能用于某些应用
高磁场下布朗-扎克费米子的高迁移率为极端条件下工作的电子器件开辟了一个新的前景
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