莫斯科物理與技術研究所(Moscow Institute of Physics and Technology;MIPT)的研究人員正致力於探索石墨烯的三維(3D)形式,作為下一代電子材料。

MIPT的研究人員曾經因為石墨烯研究而在2010年獲得諾貝爾獎(Nobel Prize)。Andre Geim和Konstantin Novoselov發現了德國物理學家Hermann Weyl曾經預言的「3D形式的石墨烯」,並稱其為「威爾半金屬」(Weyl Semimetal)。

3D石墨烯可望讓其中的電子攜帶電荷,但不帶質子——就像光子一樣,因而使其成為最有希望在拓撲材料表面達到像超導體般電導率的新方法之一。

20170503_3D-Graphene_NT01 在動量空間中集中於一特殊點上的偶數錐形錐體形成的Weyl半金屬中的塊狀電子光譜 (資料來源:MIPT)

Geim和Novoselov利用拓撲場域理論,在Weyl半金屬表面上表徵出無質量但帶電荷之Weyl粒子的行為,其結果並發表在《物理評論》(Physical Review)期刊中。

Weyl費米子(這種用語比粒子更精確,意味著它遵循統計規則並擁有半整體自旋)在Hermann Weyl終其一身努力尋找後(Hermann Weyl在1995年去世),終於在2015年被發現存在於目前已知的Weyl半金屬微小晶體表面。接著,MIPT教授Zhanna Devizorova及博士候選人Zhanna Devizorova解開了預測在晶體表面費米弧(Fermi Arcs )(Weyl費米子散射)形狀的拓撲等式。

1930年代的諾貝爾獎得主Igor Tamm預測了這些電子的表面狀態,衍生出這些狀態的第一個理論模型。這種Weyl半金屬較目前的電子元件更快速也更節能,因此,MIPT的幾位科學家現正積極尋找可為下一代電子元件(基於拓撲學的Weyl半金屬)奠定基礎的原理。

研究人員希望,Weyl半金屬能夠實現超快速電子學,其Weyl Fermions可以由電場和磁場控制。有關於費米弧形成的更多細節可以參考研究人員的論文「Weyl半金屬:間隔互動的關鍵作用(Weyl semimetals: The key role of intervalley interaction)。

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.081302

編譯:Susan Hong

(參考原文:3-D Graphene Boosts Electronics,by R. Colin Johnson)