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2010年10月5日，瑞典皇家科學院宣布，將2010年諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家Andre Geim和Konstantin Novoselov，以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。

石墨烯之父最新成果登上Science！

Andre Geim

近日，Geim教授在Science上發表文章Out-of-equilibrium criticalitiesin graphene superlattices，揭示了石墨烯超晶格中的不平衡臨界值。

金屬系統的電響應通常由動量空間中的費米表面位移來描述，該位移是通過電荷載流子加速度和散射引起的松弛之間的平衡建立的。位移通常很小，因此與費米速度v_F相比，漂移速度v_d是微小的。理論上，如果非彈性散射足夠弱，那么應該可以將費米表面從平衡中移得很遠，以至于最頂端部分填充帶內的所有電荷載流子都開始沿著施加電場E流動。電場通過帶間躍遷開始產生額外的載流子，允許費米能量下的電子帶對電荷流做出貢獻。

這種極端的不平衡狀態從未在金屬系統中實現，因為歐姆加熱、聲子發射和其他機制極大地限制了v_d。

一個罕見的例外是半金屬石墨烯。在高載流子密度n下，石墨烯的漂移速度受到聲子發射的限制，類似于其他金屬系統。然而，促成金屬電傳導的電子通常在費米電平附近占據高能級。要從低頻段獲得電子加入流，需要極大的電場。

作者使用基于石墨烯的超晶格來識別失衡狀態，該狀態在定義明確的臨界電流j_c上急劇發展。

該電流標志著施溫格對(Schwinger pair)產生的開始，并從弱耗散的類流體流過渡到強耗散的e-h等離子體狀態。

由于石墨烯超晶格的窄電子波段和低v_F特性，不平衡的狄拉克流體在非常小的E下實現。

由此產生的雙波段傳輸導致縱向和霍爾電阻率的顯著異常。與直覺相反，這種狀態下的明顯漂移速度超過了v_F。這表明，即使使用點接觸幾何允許的超高電流，也可以在標準石墨烯中達到電流誘導的臨界狀態。

作者表明，不平衡狀態的關鍵特征是類似于超導體的電流電壓特性、差動電阻的尖峰、霍爾效應的標志逆轉，以及類似施溫格的熱電子孔等離子體產生的明顯異常。觀測到的行為預計將是所有基于石墨烯的超晶格的共同點。

圖文詳情

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圖1. 石墨烯超晶格中的線性和非線性傳輸

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圖2. 切換到高偏壓狀態

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圖3. 非超晶格石墨烯狄拉克點附近的非線性輸運

文獻信息

Berdyuginet al., Out-of-equilibrium criticalitiesin graphene superlattices. Science375, 430–433 (2022)

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8627

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