摘要:这项新研究建立在由MIT助理教授Long Ju领导的团队最近的一项发现之上。Ju的小组观察到,当电流通过一个由五层堆叠的石墨烯片组成的结构时——该结构放置在一个类似的氮化硼片上,电子似乎以它们总电荷的分数形式通过,即使在没有磁场的情况下也是如此。科学家们已经证
麻省理工学院(MIT)的物理学家惊讶地发现,在五层石墨烯中,电子可以表现出分数电荷。
来自MIT的新理论研究解释了这一现象如何发生,表明在受限的二维空间中,电子之间的相互作用能够导致新的量子态,而且这些状态不依赖于磁场的存在。
石墨烯中的突破性发现
MIT的物理学家在理解电子如何分裂成分数电荷方面取得了重大进展。他们的研究揭示了在石墨烯和其他二维材料中创造奇异电子态的条件。
这项新研究建立在由MIT助理教授Long Ju领导的团队最近的一项发现之上。Ju的小组观察到,当电流通过一个由五层堆叠的石墨烯片组成的结构时——该结构放置在一个类似的氮化硼片上,电子似乎以它们总电荷的分数形式通过,即使在没有磁场的情况下也是如此。科学家们已经证明,电子可以在非常强的磁场下分裂成分数,这被称为分数量子霍尔效应。而Ju的工作首次发现,这种效应在石墨烯中不需要磁场就可以实现——直到最近,人们还预期它不会表现出这样的效应。
这种现象被命名为“分数量子异常霍尔效应”,理论家们一直热衷于找到一种解释,来说明分数电荷是如何从五层石墨烯中产生的。
理论上的进步与合作
由MIT物理学教授Senthil Todadri领导的新研究提供了关键的答案。通过计算量子力学相互作用,他和他的同事们展示了电子形成了一种晶体结构,其特性非常适合分数电荷的出现。
“这是一个全新的机制,意味着在几十年的历史中,人们从未有过这样一种系统能够产生这类分数电子现象,”Todadri说。“这是非常令人兴奋的,因为它使得许多以前只能梦想的实验成为可能。”
该团队的研究最近发表在《物理评论快报》杂志上。其他两支研究团队——一支来自约翰斯·霍普金斯大学,另一支来自哈佛大学、加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室——也在同一期发表了类似的结果。MIT团队成员包括Zhihuan Dong博士'24和前博士后Adarsh Patri。
分数现象
2018年,MIT物理学教授Pablo Jarillo-Herrero和他的同事首次观察到,通过堆叠并扭转两片石墨烯可以涌现出新的电子行为。每一层石墨烯薄如单个原子,并以六边形碳原子的蜂窝状晶格排列。通过以特定的角度堆叠两片,他发现由此产生的干涉图案或莫尔条纹,会在同一种材料中诱导出超导和绝缘等意外现象。这种所谓的“魔角石墨烯”很快点燃了一个名为扭曲电子学的新领域,即研究扭曲的二维材料中的电子行为。
“在他实验之后不久,我们意识到这些莫尔系统通常是寻找使这些分数电子相位涌现的条件的理想平台,”Todadri说,他在同年与Jarillo-Herrero合作进行了一项研究,理论上展示了这种扭曲系统可以在无磁场条件下展现分数电荷。“我们提倡将这些视为寻找这些分数现象的最佳系统,”他说。
意外的实验结果
然后,在2023年9月,Todadri与熟悉他的理论工作的Ju进行了Zoom通话。
“他在周六打电话给我,向我展示了他在五层石墨烯中看到的这些[电子]分数的数据,”Todadri回忆道。“这很令人惊讶,因为情况并没有按照我们的预期发展。”
在他的2018年的论文中,Todadri预测分数电荷应该从一个以电子波函数的特殊扭转为特征的预相位中浮现出来。简而言之,他假设电子的量子性质应具有一定的扭转度,或者说是可以在不改变其内在结构的情况下被操纵的程度。他预测,随着添加到给定莫尔结构的石墨烯层数的增加,这种缠绕也会增加。
“对于五层石墨烯,我们认为波函数会缠绕五次,这将是电子分数的前兆,”Todadri说。“但他做了实验,发现它确实缠绕了,但只缠绕了一次。这引发了这个大问题:我们应该如何看待我们现在所看到的一切?”
重新思考电子相互作用
在他们最初的预测未能准确描述观测结果后,Todadri和他的团队重新审视了电子分数如何在五层石墨烯中形成的机制。回顾他们最初的假设,他们意识到自己可能忽略了一个至关重要的因素。
“在任何电子系统中,确定发生了什么的标准策略是将电子视为独立的行为者,从而确定它们的拓扑结构,或缠绕度,”Todadri解释说。“但从Long的实验中我们知道,这种近似一定是错误的。”
虽然在大多数材料中,电子有足够的空间相互排斥,并像独立的实体一样快速移动,但在像五层石墨烯这样的二维结构中,粒子的空间要小得多。在这种狭小的空间里,团队意识到电子也应该被迫相互作用,根据它们的量子关联以及自然排斥来表现。当物理学家在理论中加入电子间相互作用时,他们发现它正确地预测了Ju在五层石墨烯中观察到的缠绕。
一旦有了与观察相符的理论预测,团队就可以基于此预测识别出五层石墨烯中分数电荷产生的机制。
他们发现,五层石墨烯的莫尔排列——其中每层类晶格的碳原子一层一层地排列在氮化硼之上——会诱导出微弱的电势。当电子通过这种电势时,它们形成了某种晶体,或者说是一种周期性的结构,这种结构限制了电子并迫使它们通过量子关联相互作用。这种电子间的拉锯战为每个电子创造了可能的物理状态云,这种云与其他所有电子云在晶体中交互,在波函数或量子关联模式中产生缠绕,从而为电子分裂成自身分数奠定了基础。
“这种晶体拥有一整套不同于普通晶体的独特属性,为未来的研究提出了许多引人入胜的问题,”Todadri说。“短期内,这一机制为理解五层石墨烯中观察到的电子分数提供了理论基础,并预测了具有类似物理特性的其他系统。”
参考文献:“五层菱形石墨烯莫尔结构中的分数量子异常霍尔相理论”,作者:Zhihuan Dong, Adarsh S. Patri 和 T. Senthil,2024年11月12日,《物理评论快报》。
这项工作部分得到了美国国家科学基金会和西蒙斯基金会的支持。
来源:长河的一条鱼