安德烈·海姆等研制出硅终结者的“神奇材料”

上一篇 / 下一篇  2011-08-27 13:32:40

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英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫因制备石墨烯而获得2010年诺贝尔物理学奖。现在,他们又从电子层面上研究了这种被认为是硅终结者的“神奇材料”,并声称这是石墨烯迈向实际应用的“巨大跃进”。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由碳原子组成的二维晶体,只有一层碳原子的厚度,是迄今最薄、同时也是最坚硬的材料,导电、导热性能超强,几乎完全透明。很多人认为,石墨烯可能将取代硅成为未来的电子元件材料,在超级计算机、触摸屏和光子传感器等多个领域“大显身手”。

海姆和诺沃肖洛夫7月24日在英国《自然—物理》杂志上发表论文说,为从电子层面上研究石墨烯,他们让多层石墨烯悬浮于真空环境中,这样最大限度地减少了电子散射,并方便观测电子间如何相互作用。结果发现,电子在石墨烯中的表现与在其他金属中大为不同。在石墨烯中,电子能像光子那样高速运动,其速度是在硅中的数十倍。

海姆在新闻公报中说,这是一项令人激动的物理学发现,它可能直接应用于制造电子设备等方面。诺沃肖洛夫则表示,这是石墨烯迈向实际应用的“巨大跃进”。

科学家早在1947年就从理论上提出石墨烯可能存在,但在此后很长时间里,制取石墨烯的努力一直没有成功。2004年,海姆和诺沃肖洛夫用普通胶带从石墨上剥离出石墨片,并重复操作,石墨片越来越薄,最终得到单层石墨片,即石墨烯。2010年,他们因此获得诺贝尔物理学奖。

 

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Dirac cones reshaped by interaction effects in suspended graphene

D. C. Elias; R. V. Gorbachev; A. S. Mayorov; S. V. Morozov; A. A. Zhukov; P. Blake; L. A. Ponomarenko; I. V. Grigorieva; K. S. Novoselov; F. Guinea; A. K. Geim

In graphene, electron–electron interactions are expected to play a significant role, as the screening length diverges at the charge neutrality point and the conventional Landau theory that enables us to map a strongly interacting electronic liquid into a gas of non-interacting fermions is no longer applicable1, 2. This should result in considerable changes in graphene’s linear spectrum, and even more dramatic scenarios, including the opening of an energy gap, have also been proposed3, 4, 5. Experimental evidence for such spectral changes is scarce, such that the strongest is probably a 20% difference between the Fermi velocities vF found in graphene and carbon nanotubes6. Here we report measurements of the cyclotron mass in suspended graphene for carrier concentrations n varying over three orders of magnitude. In contrast to the single-particle picture, the real spectrum of graphene is profoundly nonlinear near the neutrality point, and vF describing its slope increases by a factor of more than two and can reach ≈3×106 m s−1 at n<1010 cm−2. No gap is found at energies even as close to the Dirac point as ~0.1 meV. The observed spectral changes are well described by the renormalization group approach, which yields corrections logarithmic in n.


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