Only Perception: 科學家在三層石墨烯中偵測到不尋常的「準粒子」

2011-10-24

科學家在三層石墨烯中偵測到不尋常的「準粒子」

Scientists detect unusual 'quasiparticles' in tri-layer graphene
http://www.physorg.com/news/2011-10-scientists-unusual-quasiparticles-tri-layer-graphene.html

By Karen McNulty Walsh, October 19, 2011

(PhysOrg.com) -- 美國能源部 Brookhaven 國家實驗室的科學家研究以特殊方式堆疊的三層石墨烯（蜂巢狀排列的碳原子薄層），發現了一種「小宇宙」，那滿佈一種新的準粒子（quasiparticles） -- 如粒子般的電荷激發。與單層石墨烯中無質量的、光子般的準粒子不同，這些新準粒子有質量，那依其能量（或速度）而異，且靜止時會變成無限重（infinitely massive）。

在低能量下累積質量，意味這種三層石墨烯系統，若因將之併入一種具有磁性材料的異質結構而磁化，將有可能產生比單層石墨烯還要更加稠密的自旋極化電荷載體（spin-polarized charge carriers） -- 對於不只控制電荷還控制電子自旋的裝置（通常稱為自旋電子學）來說，這使得它格外具有吸引力。

"我們的研究證明，這些非常不尋常的、經理論預測的準粒子，事實上存在於三層石墨烯中，而且它們主宰著諸如材料在磁場中如何表現這樣的特性 -- 這種特性可用於控制基於石墨烯的電子裝置，" Brookhaven 物理學家 Igor Zaliznyak 表示，他領導此研究團隊。他們測量三層石墨烯特性的研究是朝設計這種裝置邁進的第一步，那發表在 2011 9/25 的 Nature Physics 線上版。

自石墨烯在 2004 年被發現以來，已成為熱門的研究主題，尤其是因為其電子不尋常的行為，那自由地在該物質平面、單層的薄層上流動。將各層堆疊會改變電子的流動：例如，堆疊二層，會在電子可佔據的能階中提供一種「可調的」斷路（break），因而賦予科學家一種將電流開啟與關閉的方法。這開啟了將這種廉價物質併入新型電子裝置的可能性。

科學家已發現疊三層時，情況變得更複雜，但也有可能更加強大。

一項重要的變數是石墨烯層被堆疊的方式：在 "ABA" 系統中，組成蜂巢環狀物的碳原子直接對齊上層與下層（A），而那些中間層（B）則位移（offset，譯註參見原站附圖）；在 "ABC" 變化中，每個堆疊層中的蜂巢狀石墨烯都位移，如樓梯般層層往上堆砌。到目前為止 ABC 堆疊顯然產生更有趣的行為 -- 那些是目前研究的主題。

為了這項研究，科學家在 Brookhaven Lab 的功能性奈米材料中心（CFN）創造三層石墨烯，將它自石墨（這種形態的碳可在鉛筆芯中找到）剝離。他們使用微拉曼顯微術（microRaman microscopy）來測繪樣本，並確認那些是以 ABC 的排列方式堆疊。他們接著使用 CFN 的奈米微影工具，包括離子束銑切（ion-beam milling），以特殊方法形塑樣本，使它們得以被連接到電極上供測量。

在佛州 Tallahassee 的美國國家高磁場實驗室（NHMFL）裡，科學家們接著研究此材料的電子特性 -- 尤其，外部磁場對於電荷傳輸的效應是電荷載體密度、磁場強度以及溫度的一個函數。

"最後，此計畫的成功有賴我們跟著投身這些研究的有才幹年輕研究者辛苦工作以及他們罕有的實驗勇氣，尤其是 Liyuan Zhang（他現在是 Brookhaven 的研究助理）以及 Yan Zhang（Stony Brook 大學畢業生），" Igor Zaliznyak 表示。

這些量測為一種特殊準粒子類型（即表現如同某一粒子的電子激發，且身為三層石墨烯系統的電荷載體）的存在提供了第一項實驗證據。這些特殊的準粒子（那被理論性研究預測到）具有定義不清（ill-defined）的質量 -- 此即，它們表現的如同它們具有一系列的質量 -- 而且當能階減少且準粒子變得無限重時，這些質量發散（diverge）。

原本，像這樣的粒子由於會與虛粒子--洞對（類似具有相反電荷的虛擬電子／正電子(電洞)對，當它們交互作用時會湮滅）產生交互作用而變得不穩定且無法存在。但準粒子有種特性稱為手性（chirality，對掌性），那與石墨烯系統中特殊的自旋「味（flavor）」相關，使得準粒子不會被這些交互作用摧毀。故這些特異的無限重粒子得以存在。

"這些結果為最近針對石墨烯的理論性研究提供了實驗驗證，並且為那些「以利用這些準粒子奇異特性為目標」的未來研究，揭開新的、令人振奮的可能性，" Zaliznyak 說。

例如，將三層石墨烯與磁性材料結合，可調整（align）電荷載體準粒子的自旋。"我們認為，這種具有自旋極化電荷載體的石墨烯--磁鐵異質結構，將導致自旋電子學中真正的突破，" Zaliznyak 說。

※ 相關報導：

＊ The experimental observation of quantum Hall effect of l=3 chiral quasiparticles in trilayer graphene
http://dx.doi.org/10.1038/nphys2104