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石墨烯再現量子驚奇!

美國與德國的物理學家發現石墨烯(graphene)具有不同於其他材料的分數量子霍爾效應(fractional quantum Hall effect, FQHE)。這項發現對於研究相對論性粒子之間的關聯性相當重要,甚至可能協助未來量子電腦的發展。

量子霍爾效應(QHE)是發生在電荷載子(如電子)被侷限在二維平面材料(如石墨烯)上,並且受到垂直平面(Z方向)的磁場作用時。此時若有電流流經X方向,則Y方向會出現一電壓,稱為霍爾電壓。在非常低溫下,電壓值會量化呈現階梯狀,又稱為霍爾態。

分數量子霍爾效應(FQHE)與整數量子霍爾效應不同,其起因為材料中電子間的強烈交互作用。這些交互作用使材料內的電荷載子行為類似帶有分數基 本電荷的準粒子,並遵守所謂的分數統計學(fractional statistics),對未來量子電腦的發展可能有著重要影響。這些交互作用通常也會導致其他重要的集合現象如超導性、磁性以及超流性,因此瞭解此交互 作用在凝態物理中具有根本重要性。

石墨烯是單原子厚的平面碳材料,其電子能以極高速度在材料內運動,行為類似無靜止質量的相對論性粒子。研究人員已經證實石墨烯內的相對論性粒子彼 此間有強烈交互作用,可以透過測量FQHE得知。最近,Amir Yacoby與其哈佛大學及馬克斯-普朗克(Max-Planck)固態物理研究所的合作者發現,石墨烯的FQHE與其他材料不同──其FQHE態具有不 尋常的次序,這是材料內的對稱性所導致的結果。這些霍爾態有助於了解石墨烯內對稱性與電子間交互作用的關連。

研究人員對懸空的石墨烯樣本施加一磁場,並利用掃描式單電子電晶體(single-electron transistor, SET)進行探測。單電子電晶體是一種非侵入性的局部探測器,能以其他技術無法匹敵的解析度測量材料電子能隙的存在,因此非常適合用來研究FQHE現象。 他們另一個重要發現是,既使巨觀樣本相當髒污,依舊能在石墨烯上找小塊到非常乾淨的區域。

該團隊目前計畫繼續探討石墨烯中不尋常的FQHE,並希望能更瞭解在不同FQHE態中電子如何排序。他們也對相關材料(如雙層石墨烯)中的分數量子霍爾效應感到興趣。詳見近期的Science|DOI: 10.1126/science.1224784。

資料來源:Graphene offers up another quantum surprise. NanoTechWeb [Sep 12, 2012]

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘

轉載自 奈米科學網

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