石墨烯再現量子驚奇！

2012/10/13 |

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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