電子在材料中運(yùn)動(dòng)的方式?jīng)Q定了材料的電學(xué)特性，例如，當(dāng)在導(dǎo)體上加上電壓時(shí)，電子開始移動(dòng)并產(chǎn)生電流，通常大家認(rèn)為這些電子會(huì)沿著電場(chǎng)做直線移動(dòng)。然而，這并不是電子唯一的運(yùn)動(dòng)方式，例如，當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，電子便不再沿著電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)，其行進(jìn)軌跡會(huì)出現(xiàn)彎曲，并在垂直電場(chǎng)方向產(chǎn)生電壓，即“霍爾”電壓。那么，是否可以在不施加磁場(chǎng)的情況下使電子行進(jìn)軌跡出現(xiàn)彎曲呢？最近發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Science上的一項(xiàng)研究表明，不施加磁場(chǎng)，僅使用圓偏振光激發(fā)，就可以在雙層石墨烯中觀察到電子行進(jìn)軌跡的彎曲。該工作由一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)完成，除北京石墨烯研究院（BGI）的尹建波研究員外，還包括來自西班牙光子科學(xué)研究所（ICFO）、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué) (NTU)、日本國(guó)立材料研究所（NIMS）的科學(xué)家。

尹建波在北京石墨烯研究院繼續(xù)從事相關(guān)研究工作

在雙層石墨烯中，電子平均分布在兩個(gè)能谷中，當(dāng)沿垂直于雙層石墨烯平面的方向施加電場(chǎng)時(shí)，兩個(gè)谷中電子波函數(shù)的量子幾何特性便不再等價(jià)，這導(dǎo)致兩類電子的行進(jìn)軌跡向相反的方向彎曲，產(chǎn)生的霍爾電壓相互抵消。研究發(fā)現(xiàn)，使用圓偏振紅外光可以選擇性激發(fā)一個(gè)能谷中的電子，打破兩個(gè)能谷間的平衡，產(chǎn)生霍爾電壓。該工作的第一作者兼通訊作者，目前在石墨烯研究院擔(dān)任器件部副部長(zhǎng)的尹建波研究員說：“我們可以通過調(diào)節(jié)一個(gè)‘旋鈕’——即垂直于雙層石墨烯平面的電場(chǎng)，來連續(xù)改變波函數(shù)的量子幾何特性（即貝里曲率），進(jìn)而控制電子運(yùn)動(dòng)軌跡的彎曲程度，并通過測(cè)量其導(dǎo)致的霍爾電導(dǎo)率來觀察這一變化。在雙層石墨烯的帶隙很小時(shí)，貝利曲率值很大，因此可以產(chǎn)生很大的霍爾電導(dǎo)”。該工作的通信作者，來自西班牙光子科學(xué)研究所的Frank Koppens教授說：“通過設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)，我們可以測(cè)量光激發(fā)的霍爾電流，同時(shí)有效避免偏壓引起的暗電流，實(shí)現(xiàn)比其他二維材料高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光探測(cè)靈敏度。這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)紅外和太赫茲傳感的應(yīng)用產(chǎn)生重大影響，因?yàn)殡p層石墨烯可以從半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蟹浅Ｐ兜陌雽?dǎo)體，所以它可以檢測(cè)到能量非常小的光子，基于此效應(yīng)的雙層石墨烯器件可以應(yīng)用在空間成像、醫(yī)學(xué)成像，材料的質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域”。

尹建波在北京石墨烯研究院繼續(xù)從事相關(guān)研究工作

該項(xiàng)工作的作者還包括主要負(fù)責(zé)理論部分的Justin Song教授（新加坡南洋理工大學(xué)）以及主要負(fù)責(zé)構(gòu)筑高質(zhì)量雙層石墨烯器件的James Hone教授（美國(guó)哥倫比亞大學(xué)）、其團(tuán)隊(duì)的Cheng Tan博士（并列一作）、日本國(guó)立材料研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

參考文獻(xiàn)：

Tunable and giant valley selective Hall effect in gapped bilayer graphene, Jianbo Yin, Cheng Tan, David Barcons-Ruiz, Iacopo Torre, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Justin C. W. Song, James Hone, Frank H. L. Koppens, SCIENCE, 375, 1398–1402 (2022)

https://doi.org/10.1126/science.abl4266