天然雙層石墨烯內發現新奇量子效應

科技日報北京8月16日電 （記者劉霞）由德國哥廷根大學領導的一個國際研究團隊在最新一期《自然》雜誌上發表論文稱，他們在對天然雙層石墨烯開展的高精度研究中，發現了新奇的量子效應，並從理論上對其進行了解釋。這一系統制備簡單，為載荷子和不同相之間的相互作用提供了新見解，有助於理解所涉及的過程，促進量子計算機的發展。

2004年，兩位英國科學家用一種非常簡單的實驗方法從石墨中剝離出石墨片，並藉助特殊膠帶得到僅由一層碳原子構成的石墨烯。石墨烯是強度最高的材料之一，具有很好的韌性、超強導熱性與導電性，應用前景十分廣闊。如果將兩層石墨烯彼此以特定的角度偏轉，所得到的系統甚至會表現出超導性和其他激發量子效應，如磁性。但迄今為止，很難製備出這種偏轉的雙層石墨烯。

在最新研究中，科學家們使用了天然形成的雙層石墨烯。他們首先使用簡單的膠帶從一塊石墨中分離出石墨烯樣品。為觀察量子力學效應，施加了垂直於樣品的高電場。他們發現，所得到系統的電子結構發生了變化，且擁有類似能量的電荷載流子出現強烈的累積效應。

研究進一步發現，在略高於絕對零度（-273.15℃）下，石墨烯中的電子可相互作用，出現了各種意想不到且複雜的量子相。如相互作用導致電子自旋對齊，使材料在沒有施加外部影響的情況下具有磁性。通過改變電場，研究人員也能不斷改變雙層石墨烯中載流子相互作用的強度。此外，電子運動的自由度在特定條件下會受限，形成電子晶格，且由於相互排斥作用，不再有助於傳輸電荷，導致系統對電絕緣。

哥廷根大學物理系托馬斯·韋茨教授表示，新系統的主要優勢之一在於材料製備非常簡單，研究人員不需要像以前那樣在高温下才能獲得所需結果，可用於進一步研究各種量子態及量子計算機等。

總編輯圈點

雙層石墨烯是由兩層以六角形蜂巢結構週期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式構成的一種二維碳材料。查閲資料可以發現，科研人員已在它身上做了不少研究。他們在雙層石墨烯中發現了量子反常霍爾效應；發現偏轉雙層石墨烯可在低温下實現超導。這次，又是一篇關於雙層石墨烯的《自然》論文——在略高於絕對零度的條件下，石墨烯的電子出現了出人意料的複雜的量子相。看樣子，雙層石墨烯確實是種“寶藏”材料，人們總可以從不同角度挖掘出驚喜。