Science! 我院尹建波研究员最新成果报道双层石墨烯的谷霍尔效应

当施加磁场时,电子便不再沿着电场线运动,其行进轨迹会出现弯曲,并在垂直电场方向产生电压,即“霍尔”电压。那么,是否可以在不施加磁场的情况下使电子行进轨迹出现弯曲呢?

电子在材料中运动的方式决定了材料的电学特性,例如,当在导体上加上电压时,电子开始移动并产生电流,通常大家认为这些电子会沿着电场做直线移动。然而,这并不是电子唯一的运动方式,例如,当施加磁场时,电子便不再沿着电场线运动,其行进轨迹会出现弯曲,并在垂直电场方向产生电压,即“霍尔”电压。那么,是否可以在不施加磁场的情况下使电子行进轨迹出现弯曲呢?最近发表在国际顶级期刊Science上的一项研究表明,不施加磁场,仅使用圆偏振光激发,就可以在双层石墨烯中观察到电子行进轨迹的弯曲。该工作由一个国际研究团队完成,除北京石墨烯研究院(BGI)的尹建波研究员外,还包括来自西班牙光子科学研究所(ICFO)、美国哥伦比亚大学、新加坡南洋理工大学 (NTU)、日本国立材料研究所(NIMS)的科学家。

Science! 我院尹建波研究员最新成果报道双层石墨烯的谷霍尔效应

尹建波在北京石墨烯研究院继续从事相关研究工作

在双层石墨烯中,电子平均分布在两个能谷中,当沿垂直于双层石墨烯平面的方向施加电场时,两个谷中电子波函数的量子几何特性便不再等价,这导致两类电子的行进轨迹向相反的方向弯曲,产生的霍尔电压相互抵消。研究发现,使用圆偏振红外光可以选择性激发一个能谷中的电子,打破两个能谷间的平衡,产生霍尔电压。该工作的第一作者兼通讯作者,目前在石墨烯研究院担任器件部副部长的尹建波研究员说:“我们可以通过调节一个‘旋钮’——即垂直于双层石墨烯平面的电场,来连续改变波函数的量子几何特性(即贝里曲率),进而控制电子运动轨迹的弯曲程度,并通过测量其导致的霍尔电导率来观察这一变化。在双层石墨烯的带隙很小时,贝利曲率值很大,因此可以产生很大的霍尔电导”。该工作的通信作者,来自西班牙光子科学研究所的Frank Koppens教授说:“通过设计器件结构,我们可以测量光激发的霍尔电流,同时有效避免偏压引起的暗电流,实现比其他二维材料高几个数量级的光探测灵敏度。这一发现可能对红外和太赫兹传感的应用产生重大影响,因为双层石墨烯可以从半金属转变为具有非常小带隙的半导体,所以它可以检测到能量非常小的光子,基于此效应的双层石墨烯器件可以应用在空间成像、医学成像,材料的质量检测等领域”。

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尹建波在北京石墨烯研究院继续从事相关研究工作

该项工作的作者还包括主要负责理论部分的Justin Song教授(新加坡南洋理工大学)以及主要负责构筑高质量双层石墨烯器件的James Hone教授(美国哥伦比亚大学)、其团队的Cheng Tan博士(并列一作)、日本国立材料研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

参考文献:

Tunable and giant valley selective Hall effect in gapped bilayer graphene, Jianbo Yin, Cheng Tan, David Barcons-Ruiz, Iacopo Torre, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Justin C. W. Song, James Hone, Frank H. L. Koppens, SCIENCE, 375, 1398–1402 (2022)

https://doi.org/10.1126/science.abl4266

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