物理學(xué)家在雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)新的量子效應(yīng)

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的理論家與德國(guó)的同事們首次在一種非常簡(jiǎn)單的材料中觀察到一種稱為量子反?；魻栃?yīng)的罕見(jiàn)現(xiàn)象。以前的實(shí)驗(yàn)僅在復(fù)雜或精致的材料中檢測(cè)到它。

自然科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)院物理學(xué)副教授張帆博士是10 月 6 日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究的作者，該研究展示了雙層石墨烯的奇異行為，這是一種天然存在的兩層石墨烯。原子薄層的碳原子排列成兩個(gè)蜂窩狀晶格堆疊在一起。

量子霍爾效應(yīng)是一種宏觀現(xiàn)象，其中材料中的橫向電阻以逐步的方式通過(guò)量化值發(fā)生變化。它發(fā)生在低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)下的二維電子系統(tǒng)中。然而，在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下，二維系統(tǒng)可以自發(fā)地產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，例如，通過(guò)電子之間相互作用產(chǎn)生的軌道鐵磁性。這種行為稱為量子反?；魻栃?yīng)。

“之前研究罕見(jiàn)的量子反?；魻栃?yīng)時(shí)，研究的材料很復(fù)雜，”張說(shuō)。“相比之下，我們的材料相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)樗挥蓛蓪邮┙M成，并且是自然形成的。”

該研究的作者、哥廷根大學(xué)教授 Thomas Weitz 博士說(shuō)：“此外，我們發(fā)現(xiàn)，盡管碳不應(yīng)該具有磁性或鐵電性，但我們觀察到的實(shí)驗(yàn)特征與兩者一致。”

在 2011 年發(fā)表的研究中，理論物理學(xué)家張預(yù)測(cè)，雙層石墨烯將具有五個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的基態(tài)，這是材料在接近絕對(duì)零(負(fù) 273.15 攝氏度或負(fù) 459.67 華氏度)的溫度下發(fā)生的最穩(wěn)定的狀態(tài)。這種狀態(tài)是由電子的相互作用驅(qū)動(dòng)的，電子的行為受量子力學(xué)和量子統(tǒng)計(jì)的支配。

“我們預(yù)測(cè)雙層石墨烯中將有五個(gè)狀態(tài)族相互競(jìng)爭(zhēng)成為基態(tài)。過(guò)去曾觀察到四個(gè)。這是最后一個(gè)，也是最具挑戰(zhàn)性的觀察，”張說(shuō)。

在Nature文章中描述的實(shí)驗(yàn)中，研究人員在這第五族中發(fā)現(xiàn)了八種不同的基態(tài)，它們同時(shí)表現(xiàn)出量子反?；魻栃?yīng)、鐵磁性和鐵電性。

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