物理学家在双层石墨烯中发现新的量子效应

德克萨斯大学达拉斯分校的理论家与德国的同事们首次在一种非常简单的材料中观察到一种称为量子反常霍尔效应的罕见现象。以前的实验仅在复杂或精致的材料中检测到它。

自然科学与数学学院物理学副教授张帆博士是10 月 6 日发表在《自然》杂志上的一项研究的作者，该研究展示了双层石墨烯的奇异行为，这是一种天然存在的两层石墨烯。原子薄层的碳原子排列成两个蜂窝状晶格堆叠在一起。

量子霍尔效应是一种宏观现象，其中材料中的横向电阻以逐步的方式通过量化值发生变化。它发生在低温和强磁场下的二维电子系统中。然而，在没有外部磁场的情况下，二维系统可以自发地产生自己的磁场，例如，通过电子之间相互作用产生的轨道铁磁性。这种行为称为量子反常霍尔效应。

“之前研究罕见的量子反常霍尔效应时，研究的材料很复杂，”张说。“相比之下，我们的材料相对简单，因为它只由两层石墨烯组成，并且是自然形成的。”

该研究的作者、哥廷根大学教授 Thomas Weitz 博士说：“此外，我们发现，尽管碳不应该具有磁性或铁电性，但我们观察到的实验特征与两者一致。”

在 2011 年发表的研究中，理论物理学家张预测，双层石墨烯将具有五个相互竞争的基态，这是材料在接近绝对零(负 273.15 摄氏度或负 459.67 华氏度)的温度下发生的最稳定的状态。这种状态是由电子的相互作用驱动的，电子的行为受量子力学和量子统计的支配。

“我们预测双层石墨烯中将有五个状态族相互竞争成为基态。过去曾观察到四个。这是最后一个，也是最具挑战性的观察，”张说。

在Nature文章中描述的实验中，研究人员在这第五族中发现了八种不同的基态，它们同时表现出量子反常霍尔效应、铁磁性和铁电性。

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