物理学家为电子创造了五车道高速公路

麻省理工学院的物理学家和同事创造了一条五车道的电子高速公路，可以​​实现超高效的电子产品等。这项工作发表在5月9日的《科学》杂志上，是同一团队去年的几项重要发现之一，涉及一种本质上是一种独特形式的铅笔芯的材料。

麻省理工学院的助理教授LongJu说：“这一发现对低功耗电子设备具有直接影响，因为电子传播过程中不会损失能量，而电子分散的常规材料则不会出现这种情况。”物理及论文通讯作者。

这种现象类似于汽车沿着开放的收费公路行驶，而不是穿过社区。其他司机可能会突然停车或掉头，从而扰乱原本顺利的通勤，从而使附近的汽车停下来或减慢速度。

一种新材料

这项工作背后的材料被称为菱面体五层石墨烯，是两年前由鞠领导的物理学家发现的。“我们发现了一座金矿，每一勺都揭示了一些新的东西，”同样隶属于麻省理工学院材料研究实验室的朱说。

Ju及其同事在去年10月发表的《自然纳米技术》论文中报告了菱面体石墨烯的三个重要特性的发现。例如，他们表明它可以是拓扑的，或者允许电子在材料边缘周围不受阻碍地运动，但不能通过中间。这就形成了一条高速公路，但需要应用比地球磁场强数万倍的大磁场。

在目前的工作中，该团队报告说在没有任何磁场的情况下创建了高速公路。

麻省理工学院物理学研究生韩同航是该论文的共同第一作者。“我们并不是第一个发现这种普遍现象的人，但我们是在一个非常不同的系统中发现的。与以前的系统相比，我们的系统更简单，也支持更多的电子通道，”Ju解释道。“其他材料只能支持材料边缘的一条车道。我们突然将其增加到五条。”

该论文的其他共同第一作者是陆正光和姚宇轩，他们对这项工作做出了同样的贡献。卢博士是材料研究实验室的博士后。姚作为清华大学的访问本科生进行了这项工作。其他作者包括麻省理工学院物理学教授梁付;JiyangYang和JunseokSeo，均为麻省理工学院物理学研究生;德克萨斯大学达拉斯分校的ChihoYoon和FanZhang;以及日本国立材料科学研究所的KenjiWatanabe和TakashiTaniguchi。

麻省理工学院的物理学家创造了一条五车道的电子高速公路。这是实验室的六名研究人员。他们是LR、研究生JixiangYang、JunseokSeo和TonghangHan;访问本科生姚雨轩;鞠龙助理教授，博士后卢正光。图片来源：ShenyongYe，麻省理工学院

怎么运行的

铅笔芯或石墨由石墨烯组成，石墨烯是排列成类似蜂窝结构的六边形的单层碳原子。菱面体石墨烯由五层石墨烯以特定重叠顺序堆叠而成。

Ju和同事利用2021年在麻省理工学院建造的新型显微镜Ju分离出菱面体石墨烯，该显微镜可以快速且相对便宜地确定纳米尺度材料的各种重要特性。五层菱面体堆叠石墨烯的厚度仅为十亿分之几米。

在当前的工作中，团队对原始系统进行了修改，添加了一层二硫化钨(WS2)。Ju说：“WS2和五层菱面体石墨烯之间的相互作用形成了这条在零磁场下运行的五车道高速公路。”

与超导的比较

Ju小组在菱面体石墨烯中发现的电子在零磁场下无阻力移动的现象被称为量子反常霍尔效应。大多数人更熟悉超导性，这是一种完全不同的现象，具有相同的作用，但发生在非常不同的材料中。

Ju指出，虽然超导体是在1910年代发现的，但还是花了大约100年的研究时间才使系统在应用所需的更高温度下工作。“世界纪录仍然远低于室温，”他指出。

同样，菱形石墨烯高速公路目前的运行温度约为2开尔文，即-456华氏度。“提高温度需要付出很大的努力，但作为物理学家，我们的工作是提供洞察力;实现这一[现象]的不同方式，”朱说。

涉及菱面体石墨烯的发现是艰苦研究的结果，但并不能保证有效。“我们在几个月内尝试了许多配方，”韩说，“所以当我们将系统冷却到非常低的温度并且[在零磁场下运行的五车道高速公路]突然出现时，这是非常令人兴奋的。”

Ju说：“成为第一个在新系统中发现现象的人，特别是在我们发现的材料中，真是令人兴奋。”