新的量子现象有助于理解石墨烯电子学的基本限制
曼彻斯特、诺丁汉和拉夫堡大学的研究团队发现了一种量子现象，有助于理解石墨烯电子学的基本限制。
发表在《自然通讯》上的这项工作描述了单层石墨烯中的电子如何与构成六角形晶体格的振动碳原子发生散射。
通过在垂直于石墨烯平面的平面上施加磁场，承载电流的电子被迫在闭合的圆形“回旋”轨道中移动。在纯石墨烯中，电子摆脱这种轨道的唯一方式是通过在散射事件中与一个“声子”发生反弹。这些声子是能量和动量的类似粒子束，是与振动碳原子相关的声波的“量子”。当石墨烯晶体从极低温度升温时，声子的数量逐渐增加。
通过在石墨烯片中通过一小电流，该团队能够准确测量电子和声子在散射事件中转移的能量和动量。
他们的实验揭示了两种声子对电子的散射方式：纵向声学（TA）声子中，碳原子垂直于声子传播方向和波动方向振动；横向声学（LA）声子中，碳原子沿声子和波动方向来回振动；（这种运动有些类似于声波穿过空气的运动）。
测量结果非常准确地确定了两种声子的速度，这对于单原子层的情况否则很难做出。实验的一个重要结果是发现TA声子散射主导了LA声子散射。
这种被称为“磁声子振荡”的现象在石墨烯的发现之前在许多半导体中测量过。它是已知的最古老的量子输运现象之一，已有50多年的历史，早于量子霍尔效应的发现。尽管石墨烯具有许多新颖的、奇特的电子性质，但这种相当基本的现象却一直隐藏不露。
出现这种现象需要两个关键的因素。首先，该团队必须在国家石墨烯研究所制造具有大面积的高质量石墨烯晶体管。如果器件尺寸小于几微米，将无法观察到这种现象。
曼彻斯特大学的主要作者Piranavan Kumaravadivel表示：“在量子输运实验的开始阶段，人们通常研究宏观的、毫米大小的晶体。在研究石墨烯的大多数量子输运工作中，研究的器件通常只有几微米大小。看起来制造更大的石墨烯器件不仅对应用非常重要，而且对基础研究也很重要。”
第二个关键因素是温度。大多数石墨烯量子输运实验是在极低温度下进行的，以减慢振动的碳原子并“冻结”通常会破坏量子一致性的声子。因此，随着声子需要活跃起来才能产生效果，石墨烯被加热。
拉夫堡大学的马克·格林纳威参与了这一效应的量子理论工作，他表示：“这个结果非常令人兴奋 - 它开辟了一条探索二维晶体和异质结构中声子特性的新途径。这将使我们更好地理解这些有前景的材料中的电子-声子相互作用，理解这一点对于将它们应用于新设备和应用至关重要。”
故事来源
更多信息请联系诺丁汉大学物理与天文学院的Laurence Eaves教授，电话+44（0）115 9515136，邮箱laurence.eaves@nottingham.ac.uk。
