石墨烯三维版亮相 或将成为新一代“电子学”的主角

美国普林斯顿大学(Princeton University)主导的研究小组宣布,在称为半金属的晶体中发现了1929年预测存在的“粒子”,并于2015年7月16日在学术杂志《Science》上发表了论文。这一发现有可能会给未来的电子学带来巨大影响,比如有望实现功耗大幅降低的元件等等。

美国普林斯顿大学(Princeton University)主导的研究小组宣布,在称为半金属的晶体中发现了1929年预测存在的“粒子”,并于2015年7月16日在学术杂志《Science》上发表了论文。这一发现有可能会给未来的电子学带来巨大影响,比如有望实现功耗大幅降低的元件等等。

新发现的“粒子”也可以说是特殊材料中带有特殊性质的电子。具体称为“Weyl费米子”。其特点是:质量为零,并且在晶体中像磁单极子(Monopol)一样运动。

质量为零意味着“电阻”非常小,载流子移迁率非常高。而像磁单极子一样运动则是指,粒子具备相当于磁铁“N极”和相当于磁铁“S极極”的任一性质。不过,与普通磁铁的性质不同,称为“贝里电荷(Berry Charge)”。这种“N极”或“S极”的粒子同时从一点产生(成对产生),一旦开始运动就不易被障碍物阻止,只有相互碰撞才会消失(成对消失)。

主导研究的普林斯顿大学物理学教授M.Zahid Hasan在冷却至几乎绝对零度的钽砷(TaAs)晶体中发现了该“粒子”。内部存在Weyl费米子的材料称为Weyl半金属。除了TaAs之外,HgTe、NbP、NbAs等也是相关材料的有力候补。

MIT教授Soljacic的研究室制备的光子晶体版Weyl半金属。形成了称为“Double Gyroid ”的构造。上面放着的是1美分硬币。

中微子失去资格,探索竞争重燃

在Weyl费米子方面,中微子(Neutrino)曾被认为是其中一例。不过,1990年代科学家查明中微子拥有质量,因此重新开始了探索。尤其是近几年,构成Weyl半金属、探索位于其内部的Weyl费米子的研究非常活跃,包括日本在内,全世界展开了力争最先发现该粒子的竞争。最终,由 Hasan等组成的研究小组赢得了这场竞争。

普林斯顿大学的此次研究是一项共同研究,合作方包括北京大学、台湾大学、新加坡国际大学(National University of Singapore)、美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)、美国东北大学(Northeastern University)、中国量子物质科学协同创新中心(Collaborative Innovation Center of Quantum Matter in Beijing)。

不过,从二维材料来看,以前已经发现过与Weyl费米子几乎同等的“粒子”。这就是石墨烯中的电子。石墨烯中的电子,其有效质量为零,显示出称为弹道传导的特殊传导特性。根据这一点,Weyl半金属也常常被称为“三维石墨烯”。

而这种Weyl半金属的光版、也就是以光子晶体实现Weyl半金属性质的研究小组也浮出了水面。它就是美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)主导的研究小组。该研究小组在普林斯顿大学此次发表论文的同一期《Science》上刊登了论文。主导研究的是MIT教授Marin Soljacic。Soljacic因2006年发表共振型无线供电技术(2007年实施实验性实证)而为人所熟知。

Soljacic的研究小组实际构成了以10GHz频带的微波为对象的光子晶体。通过向该光子晶体照射微波等手段,在实验水平上确认该光子晶体具备与Weyl半金属具有相同的性质。“在该光子晶体版Weyl半金属中,发生了我们尚且未知的新光学现象,这或将有助于实现新的应用” (Soljacic)。

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