石墨烯之父最新成果登上Science！

2023年10月15日下午4:24 • 顶刊解读 • 阅读 5

2010年10月5日，瑞典皇家科学院宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov，以表彰他们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上发表文章Out-of-equilibrium criticalitiesin graphene superlattices，揭示了石墨烯超晶格中的不平衡临界值。

金属系统的电响应通常由动量空间中的费米表面位移来描述，该位移是通过电荷载流子加速度和散射引起的松弛之间的平衡建立的。位移通常很小，因此与费米速度v_F相比，漂移速度v_d是微小的。理论上，如果非弹性散射足够弱，那么应该可以将费米表面从平衡中移得很远，以至于最顶端部分填充带内的所有电荷载流子都开始沿着施加电场E流动。电场通过带间跃迁开始产生额外的载流子，允许费米能量下的电子带对电荷流做出贡献。

这种极端的不平衡状态从未在金属系统中实现，因为欧姆加热、声子发射和其他机制极大地限制了v_d。

一个罕见的例外是半金属石墨烯。在高载流子密度n下，石墨烯的漂移速度受到声子发射的限制，类似于其他金属系统。然而，促成金属电传导的电子通常在费米电平附近占据高能级。要从低频段获得电子加入流，需要极大的电场。

作者使用基于石墨烯的超晶格来识别失衡状态，该状态在定义明确的临界电流j_c上急剧发展。

该电流标志着施温格对(Schwinger pair)产生的开始，并从弱耗散的类流体流过渡到强耗散的e-h等离子体状态。

由于石墨烯超晶格的窄电子波段和低v_F特性，不平衡的狄拉克流体在非常小的E下实现。

由此产生的双波段传输导致纵向和霍尔电阻率的显著异常。与直觉相反，这种状态下的明显漂移速度超过了v_F。这表明，即使使用点接触几何允许的超高电流，也可以在标准石墨烯中达到电流诱导的临界状态。

作者表明，不平衡状态的关键特征是类似于超导体的电流电压特性、差动电阻的尖峰、霍尔效应的标志逆转，以及类似施温格的热电子孔等离子体产生的明显异常。观测到的行为预计将是所有基于石墨烯的超晶格的共同点。

图文详情

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图1. 石墨烯超晶格中的线性和非线性传输

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图2. 切换到高偏压状态

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图3. 非超晶格石墨烯狄拉克点附近的非线性输运

文献信息

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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