| 科普 | 石墨烯基材料中的新准粒子家族

经过多年的专门研究，一组开拓性科学家再次发现了一种“与教科书物理学完全不同的现象”，这项工作导致发现和表征了在石墨烯基材料中发现的新的准粒子家族。这些非同寻常的粒子被称为Brown-Zak费米子，它们具有超高频晶体管，有可能实现2D材料的圣杯，而超高频晶体管又可以生产新一代超快电子设备。

布朗-扎克费米子

英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，在石墨烯基超晶格中，令人惊讶地发现了一种新的准粒子家族，称为“布朗-扎克费米子”（Brown-Zak fermions）。

该团队通过将石墨烯层的原子晶格对准绝缘氮化硼片的原子晶格，从而显着改变了石墨烯片的性能，实现了这一突破。

这项研究遵循了石墨烯-氮化硼超晶格多年来的连续发展，这使得人们可以观察到称为霍夫施塔特蝴蝶的分形图案。研究人员报道了在这种结构下，这种结构中粒子的另一种令人惊讶的行为磁场。

正如在《自然通讯》上发表的那样，该作品描述了电子在超高质量石墨烯超晶格中的行为，并为霍夫施塔特蝴蝶的分形特征修改了框架。在过去十年中，石墨烯器件制造和测量技术的根本改进使这项工作成为可能。

我们将这种引人入胜的行为归因于在高磁场下新型准粒子的形成。” 尽管具有极高的磁场，这些准粒子仍具有自己的独特性能和极高的迁移率。

霍夫施塔特蝴蝶

在凝聚态物理学中，霍夫施塔特蝴蝶，英语：Hofstadter's butterfly，描述了晶格磁场中非相互作用二维电子的光谱特性。这种光谱的分形、自相似性质由霍夫施塔特在1976年的博士论文中提出，故此名，是计算机图形学的早期案例之一。它反映了如无穷的蝴蝶群飞舞的图形的视觉相似之处。霍夫施塔特蝴蝶在整数量子霍尔效应理论和拓扑量子数理论中起着重要作用。

直到现在，人们仍以狄拉克费米子（Dirac fermion）来思考石墨烯超晶格中集体电子的行为，狄拉克费米子具有类似于光子的独特性质（无质量的粒子），并在高磁场下复制。但是，这并不能说明某些实验特征，例如状态的附加简并性，也不符合该状态下准粒子的有限质量。

“布朗-扎克费米子”是在强磁场下存在于超晶格中的准粒子族

特征是：可以直接测量的新量子数。有趣的是，在较低的温度下工作使他们能够通过超低温下的交换相互作用来提升简并性。

施加磁场的情况下，结构中的这种粒子的令人惊讶的行为

众所周知，在零磁场中，电子沿直线运动，如果施加磁场，它们将开始弯曲并沿圆周运动。

在与氮化硼对准的石墨烯层中，电子也开始弯曲。但是，如果将磁场设置为特定值，电子将再次沿直线轨迹移动，就好像不再有磁场一样！

这种行为与教科书中的物理学完全不同。

超大型石墨烯器件

这使我们获得了几百万cm²/ Vs的迁移率，这意味着粒子将直接在整个设备上传播而不会发生散射。重要的是，这不仅是石墨烯中经典狄拉克费米子的情况，而且工作中报道的布朗-扎克费米子也是如此。

这些Brown-Zak费米子定义了新的金属态，这些态对于任何超晶格系统都是通用的，而不仅是石墨烯，还为其他基于2D材料的超晶格中新的凝聚态物理问题提供了场所。

朱利安·巴里尔（Julien Barrier）补充说：“这一发现对于电子传输的基础研究当然很重要，但是我们相信，在强磁场下理解新型超晶格器件中的准粒子会导致新型电子器件的发展。”

高迁移率意味着用这种设备制成的晶体管可以在更高的频率下工作，从而使用这种材料制成的处理器每单位时间可以执行更多的计算，从而使计算机速度更快。施加磁场通常会降低迁移率，并使此类设备无法在某些应用中使用。布朗扎克费米子在高磁场下的高迁移率为在极端条件下运行的电子设备开辟了新的前景。