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2010年10月5日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家Andre Geim和Konstantin Novoselov，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。

石墨烯之父最新成果登上Science！

Andre Geim

近日，Geim教授在Science上發(fā)表文章Out-of-equilibrium criticalitiesin graphene superlattices，揭示了石墨烯超晶格中的不平衡臨界值。

金屬系統(tǒng)的電響應(yīng)通常由動(dòng)量空間中的費(fèi)米表面位移來描述，該位移是通過電荷載流子加速度和散射引起的松弛之間的平衡建立的。位移通常很小，因此與費(fèi)米速度v_F相比，漂移速度v_d是微小的。理論上，如果非彈性散射足夠弱，那么應(yīng)該可以將費(fèi)米表面從平衡中移得很遠(yuǎn)，以至于最頂端部分填充帶內(nèi)的所有電荷載流子都開始沿著施加電場E流動(dòng)。電場通過帶間躍遷開始產(chǎn)生額外的載流子，允許費(fèi)米能量下的電子帶對電荷流做出貢獻(xiàn)。

這種極端的不平衡狀態(tài)從未在金屬系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闅W姆加熱、聲子發(fā)射和其他機(jī)制極大地限制了v_d。

一個(gè)罕見的例外是半金屬石墨烯。在高載流子密度n下，石墨烯的漂移速度受到聲子發(fā)射的限制，類似于其他金屬系統(tǒng)。然而，促成金屬電傳導(dǎo)的電子通常在費(fèi)米電平附近占據(jù)高能級。要從低頻段獲得電子加入流，需要極大的電場。

作者使用基于石墨烯的超晶格來識別失衡狀態(tài)，該狀態(tài)在定義明確的臨界電流j_c上急劇發(fā)展。

該電流標(biāo)志著施溫格對(Schwinger pair)產(chǎn)生的開始，并從弱耗散的類流體流過渡到強(qiáng)耗散的e-h等離子體狀態(tài)。

由于石墨烯超晶格的窄電子波段和低v_F特性，不平衡的狄拉克流體在非常小的E下實(shí)現(xiàn)。

由此產(chǎn)生的雙波段傳輸導(dǎo)致縱向和霍爾電阻率的顯著異常。與直覺相反，這種狀態(tài)下的明顯漂移速度超過了v_F。這表明，即使使用點(diǎn)接觸幾何允許的超高電流，也可以在標(biāo)準(zhǔn)石墨烯中達(dá)到電流誘導(dǎo)的臨界狀態(tài)。

作者表明，不平衡狀態(tài)的關(guān)鍵特征是類似于超導(dǎo)體的電流電壓特性、差動(dòng)電阻的尖峰、霍爾效應(yīng)的標(biāo)志逆轉(zhuǎn)，以及類似施溫格的熱電子孔等離子體產(chǎn)生的明顯異常。觀測到的行為預(yù)計(jì)將是所有基于石墨烯的超晶格的共同點(diǎn)。

圖文詳情

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圖1. 石墨烯超晶格中的線性和非線性傳輸

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圖2. 切換到高偏壓狀態(tài)

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圖3. 非超晶格石墨烯狄拉克點(diǎn)附近的非線性輸運(yùn)

文獻(xiàn)信息

Berdyuginet al., Out-of-equilibrium criticalitiesin graphene superlattices. Science375, 430–433 (2022)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8627

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