在石墨烯雙層結構中發現了一種新型準粒子。這個所謂的複合費米子由一個電子和兩種不同類型的磁通量組成，如
來自布朗大學和哥倫比亞大學的研究人員已經證明，在二維納米材料石墨烯的雙層堆疊中，出現了以前未知的物質狀態。這些新的狀態被稱為分數量子霍爾效應，是由石墨烯層內外電子的複雜相互作用產生的。
布朗大學物理學助理教授李佳(音譯)說:“研究結果表明，將二維材料緊密堆放在一起會產生全新的物理效果。”“就材料工程學而言，這項研究表明，這些分層系統可以創造出利用這些量子霍爾態的新型電子設備。”
這項研究發表在《自然物理》雜誌上。重要的是，哥倫比亞大學工程學院機械工程學王鳳仁教授Hone說，這些新的量子霍爾態中的一些“可能在製造容錯量子計算機方面有用”。
當磁場垂直於電流方向作用於導電材料時，就會產生霍爾效應。磁場使電流發生偏轉，產生橫向電壓，稱為霍爾電壓。霍爾電壓強度隨磁場強度的增大而增大。量子霍爾效應最早是在1980年進行的低溫和強磁場實驗中發現的。
實驗表明，霍爾電壓不是隨著磁場強度的增加而平穩地增加，而是呈階梯(或量子化)方式增加。這些步驟是自然基本常數的整數倍，完全獨立於實驗所用材料的物理組成。這一發現被授予1985年諾貝爾物理學獎。
幾年後，研究人員在接近絕對零度的溫度和很強的磁場下發現了量子霍爾態的新類型，其中霍爾電壓中的量子步長對應於分數，因此被稱為分數量子霍爾效應。分數量子霍爾效應的發現在1998年獲得了另一個諾貝爾獎。理論學家後來提出，分數量子霍爾效應與被稱為複合費米子的準粒子的形成有關。在這種狀態下，每個電子與一個磁通量子結合，形成一個複合費米子，攜帶一個電子電荷的一部分，從而產生霍爾電壓的分數值。
複合費米子理論已經成功地解釋了在單個量子阱系統中觀察到的無數現象。這項新研究使用雙層石墨烯來研究兩個量子阱靠近時會發生什麼。理論認為兩層之間的相互作用將產生一種新型的複合費米子，但在實驗中從未見過。
在實驗中，該團隊在哥倫比亞大學多年的工作基礎上，改進了石墨烯器件的質量，完全用原子平面二維材料製作了超清潔器件。該結構的核心由兩層石墨烯層組成，石墨烯層之間由一薄層六角形氮化硼作為絕緣屏障隔開。雙層結構採用六方氮化硼作為保護絕緣體封裝，石墨作為導電柵改變通道內電荷載流子密度。
哥倫比亞大學物理學教授迪恩說:“石墨烯驚人的多功能性再一次讓我們突破了以往設備結構的極限。”“我們製造這些設備的精確性和可調性，現在讓我們可以探索整個物理學領域，而這個領域最近被認為是完全不可企及的。”
石墨烯結構隨後暴露在強磁場中——比地球磁場強數百萬倍。這項研究產生了一系列分數量子霍爾態，其中一些與複合費米子模型非常吻合，而另一些則從未被預測或發現。
“除了層間複合費米子，我們還發現了複合費米子模型中無法解釋的其他特徵，”該論文的第一作者之一、哥倫比亞大學博士後施千惠(音譯)說。“一項更仔細的研究顯示，令我們驚訝的是，這些新狀態是由複合費米子之間的配對產生的。相鄰層與同一層之間的配對相互作用產生了各種新的量子現象，使得雙層石墨烯成為一個令人興奮的研究平臺。”
“特別有趣的是，”Hone說，“有幾個新的狀態有可能承載非阿貝爾波函數——這些狀態不太符合傳統的複合費米子模型。”在非阿貝爾態中，電子保持著一種對它們過去相對位置的“記憶”。這有可能使量子計算機不需要糾錯，而糾錯目前是該領域的一個主要障礙。
文章轉載自公眾號：石墨烯雷達