艺术家对菱面体石墨烯（一种特殊的石墨（铅笔芯））中可能出现的电子高速公路的再现。图片来源：Sampson Wilcox，麻省理工学院电子研究实验室

麻省理工学院的物理学家及其同事为电子创造了一条五车道的高速公路，可以实现超高效电子设备等。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。

“这一发现对低功率电子设备有直接影响，因为在电子传播过程中没有能量损失，这在电子散射的常规材料中不是这种情况，”麻省理工学院物理系助理教授、该论文的通讯作者Long Ju说。

这种现象类似于汽车在开放的收费公路上行驶，而不是穿过社区的汽车。附近的汽车可能会被其他司机突然停车或掉头而停下来或减速，从而扰乱原本平稳的通勤。

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Ju领导的物理学家发现的。“我们发现了一座金矿，每一份独家新闻都在揭示一些新的东西，”Ju说，他也隶属于麻省理工学院的材料研究实验室。

在去年10月的一篇《自然纳米技术》论文中，Ju及其同事报告了菱面体石墨烯产生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移动，但不能通过中间。这导致了一条高速公路，但需要施加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Tonghang Han是该论文的共同第一作者。“我们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。我们突然把它增加到了五点。

该论文的其他共同第一作者对这项工作做出了同样的贡献，是Zhengguang Lu和Yuxuan Yao。Lu是材料研究实验室的博士后助理。姚明作为清华大学访问本科生进行了这项工作。其他作者是麻省理工学院物理学教授傅亮;Jixiang Yang 和 Junseok Seo，都是麻省理工学院物理学的研究生;德克萨斯大学达拉斯分校的Chiho Yoon和Fan Zhang;以及日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

麻省理工学院的物理学家为电子创造了一条五车道的高速公路。以下是实验室的六位研究人员。他们分别是，从左到右，研究生Jixiang Yang，Junseok Seo和Tonghang Han;访问本科生姚玉轩;龙菊助理教授，博士后卢正光。图片来源：Shenyong Ye，麻省理工学院

运作方式

铅笔芯或石墨由石墨烯组成，石墨烯是以六边形排列的单层碳原子，类似于蜂窝结构。菱形石墨烯由五层石墨烯组成，以特定的重叠顺序堆叠。

Ju及其同事分离出菱面体石墨烯，这要归功于Ju于2021年在麻省理工学院建造的新型显微镜，该显微镜可以在纳米尺度上快速且相对便宜地确定材料的各种重要特性。五层菱面体堆叠石墨烯只有十亿分之一米厚。

在目前的工作中，该团队对原始系统进行了修补，添加了一层二硫化钨（WS2).“WS之间的互动2五层菱面体石墨烯造就了这条在零磁场下运行的五车道高速公路，“Ju说。

Ju小组在菱面体石墨烯中发现的现象，允许电子在零磁场下无电阻地传播，这种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，它做同样的事情，但发生在非常不同的材料中。

Ju指出，尽管超导体是在1910年代发现的，但花了大约100年的研究时间才使该系统在应用所需的更高温度下工作。“而且世界纪录仍然远低于室温，”他指出。

同样，菱面体石墨烯高速公路目前在大约 2 开尔文或 -456 华氏度下运行。“提高温度需要付出很多努力，但作为物理学家，我们的工作是提供洞察力;实现这种[现象]的不同方式，“Ju说。

涉及菱面体石墨烯的发现是艰苦研究的结果，但不能保证有效。“我们花了几个月的时间尝试了许多配方，”Han 说，“所以当我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]突然出现时，这非常令人兴奋。

Ju说：“成为第一个在新系统中发现现象的人，尤其是在我们发现的材料中，这是非常令人兴奋的。

更多信息：Tonghang Han 等人，自旋轨道近似菱面体石墨烯中的大量子反常霍尔效应，Science （2024）。DOI： 10.1126/science.adk9749

期刊信息： Nature Nanotechnology ， Science