雙層石墨烯中的量子現(xiàn)象：準(zhǔn)粒子以“上游”模式傳遞熱能

近年來，一種稱為量子霍爾效應(yīng)（the quantum Hall effect）的現(xiàn)象已成為承載準(zhǔn)粒子（quasiparticles）奇異特征的平臺，其特性可能會在量子計算等領(lǐng)域帶來令人興奮的應(yīng)用。

當(dāng)向二維材料或氣體施加強磁場時，界面處的電子與主體內(nèi)的電子不同，它們可以在所謂的邊緣模式或通道中沿著邊緣自由移動——有點類似于高速公路車道。這種邊緣運動是量子霍爾效應(yīng)的本質(zhì)，根據(jù)材料和條件的不同，還會產(chǎn)生許多有趣的特性。

對于傳統(tǒng)電子，電流僅沿磁場指示的一個方向流動（“下游”）。然而，物理學(xué)家預(yù)測，一些材料可以具有反向傳播通道，其中一些準(zhǔn)粒子也可以沿相反（“上游”）方向傳播。盡管這些上游通道引起了科學(xué)家們的極大興趣，因為它們可以容納多種新型準(zhǔn)粒子，但由于它們不攜帶任何電流，因此很難識別它們。

在一項新的研究中，印度科學(xué)研究所(IISc)的研究人員和國際合作者提供了“確鑿證據(jù)”，證明某些中性準(zhǔn)粒子，在兩層石墨烯中移動存在“上游”模式。為了檢測這些模式或通道，該團隊使用了一種新方法，該方法利用了電噪聲——由散熱引起的輸出信號波動。

研究者解釋，雖然“上游”激發(fā)方式是電荷中性的，但它們可以攜帶熱能并沿上游方向產(chǎn)生噪聲點。

準(zhǔn)粒子主要是當(dāng)像電子這樣的基本粒子彼此相互作用，或與它們周圍的物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的激發(fā)。它們不是真正的粒子，但具有類似粒子的特性，如質(zhì)量和電荷。最簡單的例子是“空穴”——在半導(dǎo)體的給定能態(tài)中電子缺失的空位。它具有與電子相反的電荷，并且可以像電子一樣在材料內(nèi)部移動。成對的電子和空穴也可以形成準(zhǔn)粒子，準(zhǔn)粒子可以沿著材料的邊緣傳播。

在之前的研究中，研究人員已經(jīng)表明，有可能檢測到石墨烯中出現(xiàn)的準(zhǔn)粒子，如馬約拉納費米子（Majorana fermions）。研究者希望利用這種準(zhǔn)粒子最終構(gòu)建容錯量子計算機。

為了識別和研究這些粒子，檢測能夠承載它們的上游模式至關(guān)重要。盡管在基于砷化鎵的系統(tǒng)中較早地檢測到了這種上游模式，但迄今為止尚未在石墨烯和基于石墨烯的材料中發(fā)現(xiàn)這種模式，這在未來的應(yīng)用中提供了更多的希望。

在這項研究中，當(dāng)研究人員在兩層石墨烯的邊緣施加電勢時，他們發(fā)現(xiàn)熱量僅在上游通道中傳輸，并在該方向的某些“熱點”處消散。在這些地方，熱量產(chǎn)生了可以被電諧振電路和頻譜分析儀拾取的電噪聲。

另外，研究還發(fā)現(xiàn)，這些準(zhǔn)粒子在上游通道中的運動是“彈道式”的——熱能從一個熱點流到另一個熱點而沒有任何損失，這與之前在基于砷化鎵的系統(tǒng)中觀察到的“擴散”傳輸不同。研究者表示，這種彈道運動也表明存在奇異狀態(tài)和特征，這些狀態(tài)和特征可以幫助在未來構(gòu)建節(jié)能且無故障的量子組件。

題為Observation of ballistic upstream modes at fractional quantum Hall edges of graphene的相關(guān)研究論文發(fā)表在《自然-通訊》上。

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論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27805-4

標(biāo)簽： 石墨烯 量子現(xiàn)象