石墨烯中狄拉克等離子體的巨磁阻效應(yīng)

研究背景

石墨烯電子譜最明顯的特征是它的狄拉克點(diǎn)，許多有趣的現(xiàn)象往往圍繞著這個(gè)點(diǎn)聚集。在低溫下，這種狀態(tài)下的內(nèi)在行為通常被電荷不均勻性所掩蓋，高溫?zé)峒ぐl(fā)產(chǎn)生的電子-空穴等離子體（Dirac等離子體）能夠克服這種無序，主導(dǎo)狄拉克點(diǎn)附近的輸運(yùn)特性。Dirac等離子體被發(fā)現(xiàn)具有不尋常的特性，包括量子臨界散射和流體動(dòng)力學(xué)等。

關(guān)鍵問題

然而，霍爾磁阻的研究仍存在以下問題：

1、對(duì)等離子體在磁場(chǎng)中的行為知之甚少

盡管對(duì)金屬體系的大磁阻（MR）機(jī)制的探索已經(jīng)持續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)，但仍然存在許多未解之謎，尤其是在各種狄拉克和Weyl體系、奇怪金屬等新材料中報(bào)道的MR。

2、液氮溫度以上的MR都很小

無論磁流變行為機(jī)制，它總是依賴于磁場(chǎng)B對(duì)電子軌跡的彎曲，因此，高載流子遷移率μ是觀測(cè)到大磁流變的必要前提。然而，由于遷移率隨著溫度T的升高而降低，導(dǎo)致液氮溫度以上的MR很小。

3、特殊設(shè)計(jì)產(chǎn)生的大MR通常不均勻

極少數(shù)載流子在室溫下保持高流動(dòng)性的材料都是非補(bǔ)償體系，它們的縱向電阻率ρxx在高B時(shí)飽和，導(dǎo)致小MR。只有存在擴(kuò)展缺陷或特殊設(shè)計(jì)的四探針器件，產(chǎn)生強(qiáng)烈的非均勻電流，才能導(dǎo)致大但非均勻的MR。

新思路

有鑒于此，曼徹斯特大學(xué)A.K. Geim等人報(bào)告了量子臨界狀態(tài)下的磁輸運(yùn)。在低磁場(chǎng)中，等離子體在室溫0.1T的磁場(chǎng)中表現(xiàn)出巨大的拋物線磁電阻率，達(dá)到100%以上。在這種溫度下，比在任何其他系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的磁電阻率都要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。作者表明這種行為是單層石墨烯獨(dú)有的，盡管經(jīng)常(普朗克極限)散射，但其無質(zhì)量光譜和超高遷移率為其提供了支持。

隨著在幾特斯拉的磁場(chǎng)中朗道量子化的開始，其中電子空穴等離子體完全位于第0朗道能級(jí)，巨大的線性磁電阻率出現(xiàn)。它幾乎不受溫度的影響，可以通過近距離屏蔽來抑制，這表明它是多體起源的。與奇異金屬中的磁輸運(yùn)和Weyl金屬中預(yù)言的所謂量子線性磁電阻有明顯的相似之處，為利用這個(gè)定義良好的量子臨界二維系統(tǒng)進(jìn)一步探索相關(guān)物理提供了一個(gè)有趣的機(jī)會(huì)。

技術(shù)方案：

1、探究了石墨烯狄拉克等離子體中的電子輸運(yùn)

作者通過六方氮化硼封裝的MLG制成的多端霍爾棒，展示了狄拉克等離子體對(duì)小場(chǎng)的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)磁電阻率在NP附近的300 K處達(dá)到約110%。

2、表明了狄拉克等離子體的超高遷移率

在室溫下，遷移率超過100,000 cm2 V?1 s?1，低B下反常大的MR歸因于狄拉克費(fèi)米子的超高遷移率，再加上e-h散射在抑制霍爾電流方面的無效。

3、解析了極端量子極限下奇怪的線性磁流變

作者發(fā)現(xiàn)在高B時(shí)，狄拉克等離子體中的磁輸移表現(xiàn)出深刻的變化，Δ在10 T時(shí)達(dá)到約104%，通過比較表明了狄拉克譜和電子質(zhì)量對(duì)如此巨大的MR響應(yīng)的重要性，還通過Drude模型解析了所觀察到的線性MR理論。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

1、首次在室溫下獲得了比其他系統(tǒng)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的磁電阻率

等離子體在室溫0.1T的磁場(chǎng)中表現(xiàn)出100%以上的拋物線磁電阻率，比在任何其他系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的磁電阻率都要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

2、發(fā)現(xiàn)了室溫下狄拉克等離子體的補(bǔ)償機(jī)制

與任何已知的室溫下具有高μ的系統(tǒng)不同，狄拉克等離子體被補(bǔ)償(電荷中性)，使其零霍爾響應(yīng)允許非飽和MR，而高μ使其變得巨大。

技術(shù)細(xì)節(jié)

非量子化場(chǎng)中的巨型MR

主要器件是由六方氮化硼封裝的MLG制成的多端霍爾棒(hBN)。在低溫度下，它們的遷移率超過106 cm2 V?1 s?1，特征載流子密度約為1011 cm?2。ρxx只對(duì)特定的n依賴于t的柵極電壓作出響應(yīng)。作者展示了狄拉克等離子體對(duì)小場(chǎng)的響應(yīng)，可以看到，在NP ρNP≡ρxx(n=0)處的縱向電阻率成比例地增加到B2。然而，在這個(gè)T范圍內(nèi)，ρNP的變化出乎意料地大，相對(duì)磁電阻率在NP附近的300 K處達(dá)到約110%，并在200 K處增加3-4倍。

圖 石墨烯狄拉克等離子體中的電子輸運(yùn)

狄拉克等離子體的高遷移率

對(duì)e-h等離子體進(jìn)一步表征，結(jié)果表明，Δ在特征密度n≈nth時(shí)迅速遠(yuǎn)離NP。在室溫下，遷移率超過100,000 cm2 V?1 s?1，在150k以下，遷移率超過300,000 cm2 V?1s?1。盡管高μ值在摻雜石墨烯中的費(fèi)米液體體系中是眾所周知的，但在中性石墨烯中量子臨界體系的特征普朗克散射的存在下，遷移率仍然很高，這是出乎意料的。

相比之下，雙分子層和多層石墨烯在液氦溫度下也表現(xiàn)出很高的遷移率，在300 K時(shí)僅產(chǎn)生約10,000 cm2 V?1s?1的μB。作者顯示了未封裝的石墨烯在氧化硅襯底上的磁傳輸。這種低質(zhì)量的MLG表現(xiàn)出三個(gè)數(shù)量級(jí)的小磁流變。通過分析，作者認(rèn)為低B下反常大的MR是由于狄拉克費(fèi)米子的超高遷移率，再加上e-h散射在抑制霍爾電流方面的無效。

圖 狄拉克等離子體的超高遷移率

極端量子極限下奇怪的線性磁流變

在高B時(shí)，狄拉克等離子體中的磁輸移表現(xiàn)出深刻的變化，例如，在幾特斯拉以上，ρNP(B)從拋物線演變?yōu)榫€性。至于MR量級(jí)，Δ在10 T時(shí)達(dá)到約104%，盡管量子化場(chǎng)呈線性(慢于拋物線)依賴關(guān)系，但這在室溫實(shí)驗(yàn)中仍然是最高的。與多層和低質(zhì)量石墨烯的比較表明了狄拉克譜和電子質(zhì)量對(duì)如此巨大的MR響應(yīng)的重要性。在第0個(gè)LL的等離子體中磁輸運(yùn)的另一個(gè)顯著特征是在給定B處的ρNP隨著T的增加而增加，導(dǎo)致在較高T時(shí)由于散射增加而導(dǎo)致較低的Δ，在第0個(gè)LL中的磁輸移取決于庫侖相互作用。此外，作者還通過Drude模型解析了所觀察到的線性MR理論。

圖 量子化場(chǎng)中的線性磁流變

展望

總之，作者發(fā)現(xiàn)石墨烯中的狄拉克等離子體在低場(chǎng)和高場(chǎng)的液氮溫度下都表現(xiàn)出最高的MRs。石墨烯的巨大磁電阻率源于其磁電阻率ρxx(B)。在量子化場(chǎng)中，石墨烯經(jīng)歷了系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，成為位于第0LL的e-h等離子體。該觀察也與奇異金屬的物理有關(guān)，這些金屬表現(xiàn)出普朗克散射。奇怪的金屬顯示出其電阻率的線性T依賴關(guān)系，與本工作的情況形成了明顯的對(duì)比。

盡管存在差異，但高場(chǎng)普朗克體系的研究仍然很少，石墨烯的狄拉克等離子體提供了一個(gè)理解相關(guān)物理的模型系統(tǒng)。在這種情況下，通過使用鄰近屏蔽效應(yīng)調(diào)整電子-電子相互作用來修改磁輸運(yùn)的可能性特別有吸引力。

審核編輯：劉清