超导的另一新途径？物理学家创造了五通道电子“高速公路”

菱面体石墨烯的电子“高速公路”

美国麻省理工学院的物理学家们创造了一个五通道的电子高速公路，可以使电子超高效地流动。这项研究发表在5 月 9 日的《科学》杂志上，是该研究小组在过去一年中的重要发现，其中涉及的材料本质上是一种独特的“铅笔芯”。

这一发现对低功耗电子器件有着主要且直接的意义，因为在电子传播过程中没有能量损失，而在常规材料中，电子是分散的。

这种现象类似于汽车在开放的高速公路上行驶，而不是像那些在社区中行驶的汽车，相邻的车可能会因为其他司机的突然停车或U型转弯而停止或减速，这会扰乱原本顺畅的通勤。

在目前的工作中，研究小组报告称他们在没有任何磁场的情况下创造了电子的高速公路。

主要研究参与者、麻省理工学院物理学研究生韩同航表示：他并们不是第一个发现这一普遍现象的人，但他们是在一个非常不同的系统中发现的。与以前的系统相比，他们的系统更简单，也支持更多的电子通道，其他材料只能支持材料边缘的一条通道的交通。这个研究小组突然把它升到了五条。

令我们兴奋的是，为这项在美国麻省理工学院研究工作做出贡献的科学家几乎都是华人。其中有卢征光和姚宇轩。陆是材料研究实验室的博士后研究生，姚则以清华大学访问本科生的身份开展了这项工作。其他作者包括麻省理工学院物理学教授Liang Fu，麻省理工学院物理学研究生Jixiang Yang和Junseok Seo，德克萨斯大学达拉斯分校的Chiho Yoon和Fan Zhang，以及日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

它是如何工作的

铅笔芯，或称石墨，是由石墨烯组成的，石墨烯是一层碳原子排列成六边形，类似蜂窝状结构。菱面体石墨烯是由五层石墨烯以特定的重叠顺序堆叠而成。

研究小组利用 2021 年在麻省理工学院制造的新显微镜分离出了菱面体石墨烯，可以快速且相对廉价地确定纳米级材料的各种重要特性。五层菱形叠层石墨烯只有几十亿分之一米厚。

在目前的工作中，团队对原有的系统进行了修补，增加了一层二硫化钨（ WS2）“WS2和五层菱面体石墨烯之间的相互作用使得在零磁场下运行的“五车道高速公路”。

与超导性的比较

研究小组在菱面体石墨烯中发现的允许电子在零磁场下无阻力运动的现象被称为量子反常霍尔效应。相比较大多数人更熟悉超导现象，这是一种完全不同的现象。虽然其原理相同，但发生在非常不同的材料中。

研究小组指出，尽管超导体早在20世纪10年代就被发现了，但还是花了大约100年的研究才使超导系统在应用所需的较高温度下工作。然而，这项世界纪录的温度仍然远远低于室温。

同样，菱形石墨烯高速公路目前的工作温度约为2开尔文，或-271摄氏度。提高温度仍需要很多努力。

菱面体石墨烯的发现是艰苦研究的结果，几个月来，研究小组尝试了许多“方案。当他们将系统冷却到非常低的温度时，（一条在零磁场下运行的五车道高速公路）突然冒出来，这是非常令人兴奋的。“

研究小组第一次在一个新的体系中发现一个现象是非常令人兴奋的，尤其是在他们发现的材料中。