中國粉體網(wǎng)訊 過去7年中，為了研究石墨烯的電子特性，Javier Sanchez-Yamagishi建立了數(shù)百個(gè)納米石墨烯堆疊系統(tǒng)。他說：讓我感興趣的是這些組合系統(tǒng)的性質(zhì)取決于它們之間的相對(duì)對(duì)齊。
Sanchez-Yamagishi剛剛在2015年1月取得了博士學(xué)位，目前是副教授Pablo Jarillo-Herrero科研團(tuán)隊(duì)中的博士后。他在多種水平定向組裝了石墨烯和氮化硼。我們的技巧是制造更干凈的設(shè)備，把它們冷卻到低溫，然后加上很大的磁場(chǎng)。Sanchez-Yamagishi在美國國家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室(National High Magnetic Field Laboratory)完成了測(cè)量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室配有全球最大的連續(xù)磁鐵45Tesla，它比冰箱磁鐵強(qiáng)1萬倍。
Sanchez-Yamagishi以第一作者的身份于2014年在Nature上發(fā)表了一篇論文，論文提到給石墨烯平面施加磁場(chǎng)時(shí)，石墨烯邊緣的電子會(huì)向自旋的反方向移動(dòng)。論文的其他作者有博士后Benjamin /M. Hunt和Pappalardo Fellow Andrea Young，他們都在麻省理工大學(xué)(Massachusetts Institute of Technology，MIT)物理學(xué)教授Raymond /C. Ashoori的團(tuán)隊(duì)工作。Sanchez-Yamagishi說這篇論文是兩年工作的結(jié)晶。
Sanchez-Yamagishi解釋道：我們?cè)囍谑┲袑?shí)現(xiàn)一些有趣的量子態(tài)。其中之一是量子自旋霍爾狀態(tài)(Hall state)。這個(gè)研究能應(yīng)用到量子計(jì)算機(jī)，團(tuán)隊(duì)對(duì)此很感興趣，因?yàn)镴arillo-Herrero就職于綜合量子材料中心(Center for Integrated Quantum Materials)。
Sanchez-Yamagishi還在2013年發(fā)表過論文。論文中，他與Jarillo-Herrero、Ashoori和其他合作者闡述了幾層石墨烯對(duì)齊和六方氮化硼會(huì)在石墨烯中產(chǎn)生一種特殊的帶隙，該帶隙可能成為開發(fā)功能晶體管材料的先導(dǎo)。其他作者仍然是Young和Hunt，Young目前在加州大學(xué)圣巴巴拉分校(University of California at Santa Barbara)擔(dān)任副教授，Hunt將在2015年秋季到卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)物理系任教。
霍夫斯塔特蝴蝶圖案
石墨烯和氮化硼層的原子都以六邊形排列。當(dāng)石墨烯的晶格與六邊氮化硼基本對(duì)齊時(shí)，給樣本加上平面外磁場(chǎng)后，它們呈現(xiàn)的電子能級(jí)叫做霍夫斯塔特蝴蝶(Hofstadters butterfly)，因?yàn)樗鼈兊呐帕邢窈麍D案。物理學(xué)家感到興奮的是它是量子物理中少見的不規(guī)則圖案。Sanchez-Yamagishi說：當(dāng)電子很小而且溫度很低時(shí)，這種物理學(xué)現(xiàn)象才會(huì)出現(xiàn)，可見量子物理的與眾不同。
除了獲得了霍夫斯塔特蝴蝶圖案，這套設(shè)備還是首個(gè)在石墨烯中產(chǎn)生帶隙的設(shè)備。Jarillo-Herrero說，令人意外的是當(dāng)實(shí)驗(yàn)中石墨烯和六邊氮化硼間的旋轉(zhuǎn)角度很低時(shí)，石墨烯竟然變成了絕緣體，而一般情況下它都是良好的導(dǎo)體。這個(gè)結(jié)果完全在意料之外，理論學(xué)家還在尋找其中的原因。在量化層面上，我們還不理解這個(gè)現(xiàn)象的原因，我們只有質(zhì)量上的數(shù)據(jù)。
幸運(yùn)的發(fā)現(xiàn)
石墨烯的這些奇特電子特性來自它的分子結(jié)構(gòu)，它的碳原子晶格是蜂窩形或鐵絲網(wǎng)形。當(dāng)這些蜂窩結(jié)構(gòu)相互堆疊時(shí)，如果對(duì)不齊，它們就組成了云紋圖案，每層與其他層的旋轉(zhuǎn)不同。我們偶然間發(fā)現(xiàn)樣本呈霍夫斯塔特蝴蝶排列，Sanchez-Yamagishi解釋道，要想看到這個(gè)圖案，石墨烯需要基本對(duì)齊六邊氮化硼。當(dāng)它們基本對(duì)齊時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)超晶格，電子的物理性質(zhì)就會(huì)受到強(qiáng)烈的影響，這就是我們能觀察到霍夫斯塔特蝴蝶圖案的原因。換個(gè)說法，他解釋道：如果對(duì)不齊，云紋就很小，這樣對(duì)電子物理性質(zhì)的影響就很小。但當(dāng)它們對(duì)齊時(shí)，對(duì)齊程度越高，云紋越大，對(duì)電子的影響越強(qiáng)。所以想觀測(cè)到蝴蝶圖案，大云紋是必須的。
當(dāng)石墨烯中出現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，一種熟悉的碳結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)，它的特殊性質(zhì)只在單原子或多原子厚度的石墨烯層從石墨分離時(shí)顯現(xiàn)。Sanchez-Yamagishi說：石墨烯的導(dǎo)電性優(yōu)于石墨、金或銀。
Sanchez-Yamagishi在實(shí)驗(yàn)室造出了一個(gè)設(shè)備，該設(shè)備能堆疊極薄的石墨烯片和類似材料。當(dāng)兩層石墨烯沒對(duì)齊時(shí)，它們叫做扭曲的雙層石墨烯。他解釋道：石墨中基本每層都能對(duì)齊，電子運(yùn)動(dòng)會(huì)放緩。實(shí)驗(yàn)證明如果兩層石墨烯對(duì)齊，一層內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)也會(huì)同樣放緩。但是如果沒對(duì)齊，它們的反應(yīng)基本與另一層石墨烯無關(guān)。它們完全對(duì)齊時(shí)就會(huì)相互解耦，而它們的導(dǎo)電性幾乎和單層石墨烯一樣好。如果沒對(duì)齊，一層中的電子就不受其他層的影響，仍能快速移動(dòng)。
如果旋轉(zhuǎn)沒有對(duì)齊，電子在單層間的移動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，這對(duì)層間的電子移動(dòng)起反作用。Sanchez-Yamagishi解釋道：即使它們彼此堆疊，中間只隔著幾個(gè)原子，如果把它們扭曲，電子其實(shí)不能自己從一層運(yùn)動(dòng)到另一層。它們還需要系統(tǒng)中其他因素的幫助。所以我們可以把它們對(duì)齊，它們并不通電，這與云紋有關(guān)。這是因?yàn)閮蓪又g的扭曲會(huì)使它們解耦。
學(xué)習(xí)曲線
Sanchez-Yamagishi在2008年加入了Jarillo-Herrero的團(tuán)隊(duì)，最初他要花費(fèi)幾個(gè)月才能制作出優(yōu)質(zhì)石墨烯，現(xiàn)在他已經(jīng)能造出復(fù)雜的石墨烯設(shè)備，還能把它們和其他材料結(jié)合起來。他用黃金接點(diǎn)給石墨烯傳送電流，測(cè)量它的電氣性能。通常，測(cè)試設(shè)備用的石墨烯是不規(guī)則的，因?yàn)樘烊皇牧现瞥龅氖┬螤罹筒灰?guī)則。石墨被擦在硅板上，然后被特制膠帶取下，制成石墨烯薄層。Sanchez-Yamagishi說，最大化設(shè)備可用的石墨烯量?jī)?yōu)先于美化石墨烯的外觀。我們?cè)噲D把技術(shù)做到最好。我們想找到性能特別好的材料，因?yàn)槲覀兿Ｍ苎菔疚锢硇再|(zhì)。最后，我們會(huì)剔除劣質(zhì)材料，留下性能最好的。
本研究在4開氏度的低溫下進(jìn)行，有的實(shí)驗(yàn)溫度更低。Sanchez-Yamagishi說：我們實(shí)驗(yàn)室的中心工作是研究電子移動(dòng)時(shí)的電性，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先我們希望把溫度降低，這樣就能觀察到電子自身的行為，然后我們可以考慮更加復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。
從2015年9月開始，Sanchez-Yamagishi將在哈佛大學(xué)(Harvard University)量子光學(xué)中心(Quantum Optics Center)進(jìn)行為期兩年的博士后研究，他的課題是鉆石中的氮空位中心，Mikhail Lukin是該課題的首席研究員。他說：我的背景是研究石墨烯中的電子，所以我想把石墨烯中的電子與鉆石中的光子結(jié)合起來。他希望能在未來成為物理學(xué)教授。
Sanchez-Yamagishi剛剛在2015年1月取得了博士學(xué)位，目前是副教授Pablo Jarillo-Herrero科研團(tuán)隊(duì)中的博士后。他在多種水平定向組裝了石墨烯和氮化硼。我們的技巧是制造更干凈的設(shè)備，把它們冷卻到低溫，然后加上很大的磁場(chǎng)。Sanchez-Yamagishi在美國國家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室(National High Magnetic Field Laboratory)完成了測(cè)量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室配有全球最大的連續(xù)磁鐵45Tesla，它比冰箱磁鐵強(qiáng)1萬倍。
Sanchez-Yamagishi以第一作者的身份于2014年在Nature上發(fā)表了一篇論文，論文提到給石墨烯平面施加磁場(chǎng)時(shí)，石墨烯邊緣的電子會(huì)向自旋的反方向移動(dòng)。論文的其他作者有博士后Benjamin /M. Hunt和Pappalardo Fellow Andrea Young，他們都在麻省理工大學(xué)(Massachusetts Institute of Technology，MIT)物理學(xué)教授Raymond /C. Ashoori的團(tuán)隊(duì)工作。Sanchez-Yamagishi說這篇論文是兩年工作的結(jié)晶。
Sanchez-Yamagishi解釋道：我們?cè)囍谑┲袑?shí)現(xiàn)一些有趣的量子態(tài)。其中之一是量子自旋霍爾狀態(tài)(Hall state)。這個(gè)研究能應(yīng)用到量子計(jì)算機(jī)，團(tuán)隊(duì)對(duì)此很感興趣，因?yàn)镴arillo-Herrero就職于綜合量子材料中心(Center for Integrated Quantum Materials)。
Sanchez-Yamagishi還在2013年發(fā)表過論文。論文中，他與Jarillo-Herrero、Ashoori和其他合作者闡述了幾層石墨烯對(duì)齊和六方氮化硼會(huì)在石墨烯中產(chǎn)生一種特殊的帶隙，該帶隙可能成為開發(fā)功能晶體管材料的先導(dǎo)。其他作者仍然是Young和Hunt，Young目前在加州大學(xué)圣巴巴拉分校(University of California at Santa Barbara)擔(dān)任副教授，Hunt將在2015年秋季到卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)物理系任教。
霍夫斯塔特蝴蝶圖案
石墨烯和氮化硼層的原子都以六邊形排列。當(dāng)石墨烯的晶格與六邊氮化硼基本對(duì)齊時(shí)，給樣本加上平面外磁場(chǎng)后，它們呈現(xiàn)的電子能級(jí)叫做霍夫斯塔特蝴蝶(Hofstadters butterfly)，因?yàn)樗鼈兊呐帕邢窈麍D案。物理學(xué)家感到興奮的是它是量子物理中少見的不規(guī)則圖案。Sanchez-Yamagishi說：當(dāng)電子很小而且溫度很低時(shí)，這種物理學(xué)現(xiàn)象才會(huì)出現(xiàn)，可見量子物理的與眾不同。
除了獲得了霍夫斯塔特蝴蝶圖案，這套設(shè)備還是首個(gè)在石墨烯中產(chǎn)生帶隙的設(shè)備。Jarillo-Herrero說，令人意外的是當(dāng)實(shí)驗(yàn)中石墨烯和六邊氮化硼間的旋轉(zhuǎn)角度很低時(shí)，石墨烯竟然變成了絕緣體，而一般情況下它都是良好的導(dǎo)體。這個(gè)結(jié)果完全在意料之外，理論學(xué)家還在尋找其中的原因。在量化層面上，我們還不理解這個(gè)現(xiàn)象的原因，我們只有質(zhì)量上的數(shù)據(jù)。
幸運(yùn)的發(fā)現(xiàn)
石墨烯的這些奇特電子特性來自它的分子結(jié)構(gòu)，它的碳原子晶格是蜂窩形或鐵絲網(wǎng)形。當(dāng)這些蜂窩結(jié)構(gòu)相互堆疊時(shí)，如果對(duì)不齊，它們就組成了云紋圖案，每層與其他層的旋轉(zhuǎn)不同。我們偶然間發(fā)現(xiàn)樣本呈霍夫斯塔特蝴蝶排列，Sanchez-Yamagishi解釋道，要想看到這個(gè)圖案，石墨烯需要基本對(duì)齊六邊氮化硼。當(dāng)它們基本對(duì)齊時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)超晶格，電子的物理性質(zhì)就會(huì)受到強(qiáng)烈的影響，這就是我們能觀察到霍夫斯塔特蝴蝶圖案的原因。換個(gè)說法，他解釋道：如果對(duì)不齊，云紋就很小，這樣對(duì)電子物理性質(zhì)的影響就很小。但當(dāng)它們對(duì)齊時(shí)，對(duì)齊程度越高，云紋越大，對(duì)電子的影響越強(qiáng)。所以想觀測(cè)到蝴蝶圖案，大云紋是必須的。
當(dāng)石墨烯中出現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，一種熟悉的碳結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)，它的特殊性質(zhì)只在單原子或多原子厚度的石墨烯層從石墨分離時(shí)顯現(xiàn)。Sanchez-Yamagishi說：石墨烯的導(dǎo)電性優(yōu)于石墨、金或銀。
Sanchez-Yamagishi在實(shí)驗(yàn)室造出了一個(gè)設(shè)備，該設(shè)備能堆疊極薄的石墨烯片和類似材料。當(dāng)兩層石墨烯沒對(duì)齊時(shí)，它們叫做扭曲的雙層石墨烯。他解釋道：石墨中基本每層都能對(duì)齊，電子運(yùn)動(dòng)會(huì)放緩。實(shí)驗(yàn)證明如果兩層石墨烯對(duì)齊，一層內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)也會(huì)同樣放緩。但是如果沒對(duì)齊，它們的反應(yīng)基本與另一層石墨烯無關(guān)。它們完全對(duì)齊時(shí)就會(huì)相互解耦，而它們的導(dǎo)電性幾乎和單層石墨烯一樣好。如果沒對(duì)齊，一層中的電子就不受其他層的影響，仍能快速移動(dòng)。
如果旋轉(zhuǎn)沒有對(duì)齊，電子在單層間的移動(dòng)就會(huì)加強(qiáng)，這對(duì)層間的電子移動(dòng)起反作用。Sanchez-Yamagishi解釋道：即使它們彼此堆疊，中間只隔著幾個(gè)原子，如果把它們扭曲，電子其實(shí)不能自己從一層運(yùn)動(dòng)到另一層。它們還需要系統(tǒng)中其他因素的幫助。所以我們可以把它們對(duì)齊，它們并不通電，這與云紋有關(guān)。這是因?yàn)閮蓪又g的扭曲會(huì)使它們解耦。
學(xué)習(xí)曲線
Sanchez-Yamagishi在2008年加入了Jarillo-Herrero的團(tuán)隊(duì)，最初他要花費(fèi)幾個(gè)月才能制作出優(yōu)質(zhì)石墨烯，現(xiàn)在他已經(jīng)能造出復(fù)雜的石墨烯設(shè)備，還能把它們和其他材料結(jié)合起來。他用黃金接點(diǎn)給石墨烯傳送電流，測(cè)量它的電氣性能。通常，測(cè)試設(shè)備用的石墨烯是不規(guī)則的，因?yàn)樘烊皇牧现瞥龅氖┬螤罹筒灰?guī)則。石墨被擦在硅板上，然后被特制膠帶取下，制成石墨烯薄層。Sanchez-Yamagishi說，最大化設(shè)備可用的石墨烯量?jī)?yōu)先于美化石墨烯的外觀。我們?cè)噲D把技術(shù)做到最好。我們想找到性能特別好的材料，因?yàn)槲覀兿Ｍ苎菔疚锢硇再|(zhì)。最后，我們會(huì)剔除劣質(zhì)材料，留下性能最好的。
本研究在4開氏度的低溫下進(jìn)行，有的實(shí)驗(yàn)溫度更低。Sanchez-Yamagishi說：我們實(shí)驗(yàn)室的中心工作是研究電子移動(dòng)時(shí)的電性，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先我們希望把溫度降低，這樣就能觀察到電子自身的行為，然后我們可以考慮更加復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。
從2015年9月開始，Sanchez-Yamagishi將在哈佛大學(xué)(Harvard University)量子光學(xué)中心(Quantum Optics Center)進(jìn)行為期兩年的博士后研究，他的課題是鉆石中的氮空位中心，Mikhail Lukin是該課題的首席研究員。他說：我的背景是研究石墨烯中的電子，所以我想把石墨烯中的電子與鉆石中的光子結(jié)合起來。他希望能在未來成為物理學(xué)教授。
