石墨烯根据旋转方向有效地过滤电子

在一块石墨烯（具有六边形图案的水平表面）的块中，在强磁场中，电子可以仅沿边缘移动，并且被阻挡在内部移动。另外，只有一个旋转方向的电子只能沿着边缘的一个方向移动（由蓝色箭头表示），而具有相对旋转的电子被阻挡（如红色箭头所示）。照片由研究人员提供

麻省理工学院的新研究表明，石墨烯可以根据其旋转的方向有效地过滤电子，这些东西不能通过任何传统电子系统进行。

石墨烯已成为一家通用的奇迹材料，刺激研究人员的军队，探索这两款纯碳的新可能性。但在麻省理工学院的新研究通过揭示了在一些极端条件下出现的意想不到的特征来发现了材料的额外潜力 - 可能会使石墨烯适合诸如量子计算的异端用途。

该研究本周在本周发表于本周自然界，纸上Pablo Jarillo-Herrero和Ray Ashoori，Postdocs Andrea Young and Ben Hunt，研究生哈维尔·桑切斯 - 山口和其他三位。在一个极其强大的磁场和极低的温度下，研究人员发现，石墨烯可以根据其旋转的方向有效地过滤电子，这些东西不能通过任何传统的电子系统完成。

在典型条件下，石墨烯床单表现为正常导体：施加电压，电流在整个二维薄片中流动。但是，如果您打开垂直于石墨烯片的磁场，则行为发生变化：电流仅沿边缘流动，而散装仍然是绝缘。此外，该电流仅在一个方向或逆时针流动，这取决于磁场的方向 - 在称为量子霍尔效应的现象中。

在新的工作中，研究人员发现，如果它们施加了第二个强大的磁场 - 这次在与石墨烯剥落相同的平面中 - 材料的行为再次发生变化：电子可以在任一方向上围绕导电边缘移动，具有有一种旋转的电子顺时针移动，而具有相对旋转的那些逆时针移动。

“我们沿着边缘创造了一种不寻常的导体，”MIT的物理部门和纸张的铅作者，“几乎是一维线”的Pappalardo Proddoctoral Courtoral。电子旋转根据旋转是“拓扑绝缘体的正常特征”，“但是石墨烯通常不是拓扑绝缘体。我们在一个非常不同的材料系统中获得了相同的效果。“

更重要的是，通过改变磁场，“我们可以打开和关闭这些边缘状态，”年轻人说。切换能力意味着原则上，“我们可以将电路和晶体管置出来，”他说，在传统的拓扑绝缘体之前尚未实现。

年轻的旋转选择性有另一个好处，年轻人说：它可以防止称为“反向散射”的现象，这可能破坏电子的运动。结果，通常破坏材料的电子性质的缺陷效果不大。“即使边缘是”脏的，“也会沿着这个边缘透过这个边缘完美地传播，”他说。

Mitsui职业发展副教授的Mitsui职业发展副教授Jarillo-Herrero表示，预测了这些石墨烯片的行为，但以前从未见过。他说，这项工作是第一次在一张石墨烯中证明了这种自旋选择性行为，也是第一次已经证明了这两个制度之间的能力“。

这可能最终导致制作一种量子电脑的新方法，几十年来研究人员试图做的事情，没有成功。但由于所需的极端条件，年轻人说，“这将是一个非常专业的机器”，仅用于高优先级计算任务，例如在国家实验室中。

物理学教授Ashoori指出，新发现的边缘州具有许多令人惊讶的属性。例如，虽然金是一种异常良好的电导体，但是当将金的薄荷添加到石墨烯薄片的边缘时，它们导致电阻增加。通过混合电子旋转，金DAB允许电子将电子反向散射成相对行进状态;添加了越多的金，阻力越大。

年轻人说，这项研究代表了拓扑绝缘体中的“新方向”。“我们真的不知道它可能导致什么，但它打开了我们对我们可以制造的电气设备的思考。”

实验需要使用强度35特斯拉的磁场 - “比在MRI机器中大约10倍”，“Jarillo-Herrero说 - 高于绝对零的0.3摄氏度的温度。然而，该团队已经追求了观察只有一个特斯拉的磁场的类似效果的方式 - 类似于强大的厨房磁铁和更高的温度。

哥伦比亚大学的物理学教授Philip Kim表示，“此处的作者在这里展现了优异的导电量，”如理论所预说。他补充道，“这是非常好的工作，可以将拓扑绝缘体物理与相互作用的物理连接到石墨烯物理学。这项工作是一个很好的示例，如何凝聚物理物理学中的两个最受欢迎的主题相互连接。“

该团队还包括MIT Junior Sang Hyun Choi和Kenji Watanabe和Kanji Watanabi，在日本筑波国家材料科学研究所的国家研究所。该工作得到了美国能源部，戈登和贝蒂摩尔基金会的赠款，以及国家高磁场实验室的国家科学基金会，佛罗里达州的使用设施。

出版物：A. F. Young，等，“石墨烯Quantum Spin Hall状态中的”可调对称和螺旋边缘，“自然（2013）; DOI：10.1038 / Nature12800

研究报告的PDF副本：石墨烯Quantum Spin Hall状态中的可调对称断裂和螺旋边缘传输

图像：照片由研究人员提供

来自麻省理工学院新闻的材料