诺奖得主Geim最新Science：石墨烯超晶格中重复布洛赫状态引起的高温量子振荡

【引言】

金属和半导体中载流子的回旋运动导致了Landau量子化及其磁性振荡行为。通常需要低温来观察这些振荡。最新研究表明：石墨烯超晶格支持一种不同类型的量子振荡，其不依赖于Landau量子化。这种振荡非常强劲，并能在高于室温条件下，仅几个特斯拉的磁场中持续。这都归因于超晶格中电子结构的重复变化，其中的电荷载流子有效地经历了在单位超晶格晶胞中磁通量为简分数无磁场的状态。此工作暗示了Hofstadter蝴蝶系统在高温下还未被探索的物理现象。

【成果简介】

最近，来自曼彻斯特大学A. K. Geim和V. I. Fal^,ko（共同通讯）在Science上发表了题为“High-temperature quantum oscillations caused by recurring Bloch states in graphene superlattices” 的文章。该研究团队利用由石墨烯超晶格得到的多端霍尔棒设备来进行传输测量。实验中将单层石墨烯置于六方氮化硼（hBN）晶体顶部，使它们的晶轴对准并具有超过2°的精度。为了确保电荷载流子具有高迁移率，使用了第二个hBN晶体封装石墨烯，并相对于石墨烯轴有意地偏离约15°。虽然第二个hBN层也导致了莫尔图案，但具有较短的周期性。因此，任何超晶格效应只能在高载流子浓度n或超高B处出现。第二个hBN作为惰性层，以原子级平坦覆盖有效保护了石墨烯不受外界环境影响。文中还研究了六个超晶格器件，并显示出一致的行为。

【图文导读】

图1 石墨烯超晶格中的高温振荡

图2 Brown-Zak（BZ）振荡的浓度和场依赖性

图3 小范围且有效领域的布洛赫状态下的BZ振荡

【小结】

石墨烯超晶格表现出了明显的量子振荡现象，这可以在不同的金属体系以及BZ微带的重复形成中得到理解。Φ₀为简分数时，电荷载流子有效地经历零磁场的状态，这导致了其轨迹是直线而非曲线（回旋）。更直的轨迹造成了更弱的霍尔效应和更高的电导率。光滑的背景归因于涉及到不同微带和有效地变为曲线间转换所出现的轨迹。此外，该振荡不需要单色性就能够一直持续到非常高的T。即使在1000K时，量子振荡也可以被观察到。另外，理论上也需要了解BZ振荡的温度，场和浓度依赖性关系的细节。

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

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