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近日消息，来自曼彻斯特大学、诺丁汉大学和拉夫堡大学的一组研究人员发现了一种新的量子现象，有助于理解石墨烯电子学的基本限制。该研究结果近期发表于Nature Communications，描述了单个原子级薄的石墨烯中的电子是如何从构成六方晶格的振动碳原子上散射出来的。
通过施加垂直于石墨烯平面的磁场，载流电子被迫以闭合的圆形“回旋加速器”轨道运动。在纯石墨烯中，电子从这个轨道逸出的唯一方法是在散射事件中反弹“声子”。这些声子是粒子状的能量和动量束，是与振动碳原子相关的声波的“量子”。当石墨烯晶体从非常低的温度升温时，声子的数量不断增加。
通过使小电流通过石墨烯片，该团队能够精确测量在散射过程期间在电子和声子之间传递的能量和动量的量。
该团队设计的实验揭示了两种类型的声子散射电子：横向声学（TA）声子，其中碳原子垂直于声子传播方向和波浪运动（有点类似于水面上的表面波）和纵向声学（LA）声子振动其中碳原子沿声子方向和波动方向来回振动;（这种运动有点类似于声波通过空气的运动）。
这些测量结果可以非常准确地测量两种声子的速度，这种测量在单个原子层的情况下很难进行。该实验的一个重要结果是发现TA声子散射优于LA声子散射。
在发现石墨烯之前，科学家们在许多半导体中测量了观察到的此类现象，通常称为磁声振荡。这是是量子霍尔效应早在50多年前就已知的最古老的量子输运现象之一。尽管石墨烯具有许多新颖的，奇特的电子特性，但这种相当基本的现象此前仍然没有被揭示。
该项研究的合着者Laurence Eaves和RoshanKrishna Kumar说：“我们惊喜地发现石墨烯中出现了如此突出的磁偶振荡。考虑到有关量子的大量文献，我们也很困惑为什么人们之前没有见过这种现象，当电子在石墨烯中运输的时候。”
观察到这个现象需要两个关键因素。首先，该团队必须在国家石墨烯研究所制造大面积的高质量石墨烯晶体管。如果器件尺寸小于几微米，则无法观察到这种现象。
来自曼彻斯特大学的Piranavan Kumaravadivel，该论文的第一作者说：“在量子传输实验开始时，人们习惯研究宏观尺寸毫米大小的晶体。在石墨烯上量子传输的大部分工作中，所研究的器件通常是只有几微米的尺寸。似乎制造更大的石墨烯器件不仅对应用很重要，而且现在也用于基础研究。“
第二个条件是温度。大多数石墨烯量子迁移实验是在超低温下进行的，以减缓振动的碳原子并“冻结”通常会破坏量子相干性的声子。因此，石墨烯被加热，因为声子需要有效以产生效果。
来自拉夫堡大学的马克·格林纳威从事这种效应的量子理论，他说，“这个结果非常令人兴奋 - 它开辟了探索二维晶体及其异质结构中声子特性的新途径。这将使我们能够 为了更好地理解这些有前景的材料中的电子 - 声子相互作用，了解哪些对于开发它们以用于新设备和应用至关重要。”
论文信息：
P. Kumaravadivel et al. Strong magnetophonon oscillations in extra-large graphene,Nature Communications().DOI: 10.1038/s41467-019-11379-3
资料来源：石墨烯资讯编辑整理，转载请注明出处
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