諾獎得主Geim最新Science：石墨烯超晶格中重復布洛赫狀態引起的高溫量子振蕩

【引言】

金屬和半導體中載流子的回旋運動導致了Landau量子化及其磁性振蕩行為。通常需要低溫來觀察這些振蕩。最新研究表明：石墨烯超晶格支持一種不同類型的量子振蕩，其不依賴于Landau量子化。這種振蕩非常強勁，并能在高于室溫條件下，僅幾個特斯拉的磁場中持續。這都歸因于超晶格中電子結構的重復變化，其中的電荷載流子有效地經歷了在單位超晶格晶胞中磁通量為簡分數無磁場的狀態。此工作暗示了Hofstadter蝴蝶系統在高溫下還未被探索的物理現象。

【成果簡介】

最近，來自曼徹斯特大學A. K. Geim和V. I. Fal^,ko（共同通訊）在Science上發表了題為“High-temperature quantum oscillations caused by recurring Bloch states in graphene superlattices” 的文章。該研究團隊利用由石墨烯超晶格得到的多端霍爾棒設備來進行傳輸測量。實驗中將單層石墨烯置于六方氮化硼（hBN）晶體頂部，使它們的晶軸對準并具有超過2°的精度。為了確保電荷載流子具有高遷移率，使用了第二個hBN晶體封裝石墨烯，并相對于石墨烯軸有意地偏離約15°。雖然第二個hBN層也導致了莫爾圖案，但具有較短的周期性。因此，任何超晶格效應只能在高載流子濃度n或超高B處出現。第二個hBN作為惰性層，以原子級平坦覆蓋有效保護了石墨烯不受外界環境影響。文中還研究了六個超晶格器件，并顯示出一致的行為。

【圖文導讀】

圖1 石墨烯超晶格中的高溫振蕩

圖2 Brown-Zak（BZ）振蕩的濃度和場依賴性

圖3 小范圍且有效領域的布洛赫狀態下的BZ振蕩

【小結】

石墨烯超晶格表現出了明顯的量子振蕩現象，這可以在不同的金屬體系以及BZ微帶的重復形成中得到理解。Φ₀為簡分數時，電荷載流子有效地經歷零磁場的狀態，這導致了其軌跡是直線而非曲線（回旋）。更直的軌跡造成了更弱的霍爾效應和更高的電導率。光滑的背景歸因于涉及到不同微帶和有效地變為曲線間轉換所出現的軌跡。此外，該振蕩不需要單色性就能夠一直持續到非常高的T。即使在1000K時，量子振蕩也可以被觀察到。另外，理論上也需要了解BZ振蕩的溫度，場和濃度依賴性關系的細節。

文獻鏈接： High-temperature quantum oscillations caused by recurring Bloch states in graphene superlattices（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal3357）

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