曼彻斯特大学的 Andre Geim 爵士和 Alexey Berdyugin 博士领导的一组研究人员在基于石墨烯的超晶格中发现并表征了一个新的准粒子家族，名为“Brown-Zak 费米子”。该团队通过将石墨烯层的原子晶格与绝缘氮化硼片的原子晶格对齐，显着改变了石墨烯片的特性，从而实现了这一突破。

这项研究是在石墨烯 - 氮化硼超晶格的多年连续进步之后进行的，这使得我们可以观察到一种被称为霍夫施塔特蝴蝶的分形图案——今天(11 月 13 日星期五)研究人员报告了这种结构中的粒子在外加磁场下的另一种非常令人惊讶的行为场地。

“众所周知，在零磁场中，电子会沿直线运动，如果施加磁场，它们就会开始弯曲并绕圈运动”，进行实验工作的Julien Barrier 和 Piranavan Kumaravadivel 博士解释说。

“在与氮化硼对齐的石墨烯层中，电子也开始弯曲——但如果将磁场设置为特定值，电子将再次沿直线轨迹移动，就好像不再有磁场一样!”

“这种行为与教科书物理完全不同。” Piranavan Kumaravadivel 博士补充道。

“我们将这种迷人的行为归因于在高磁场下形成了新型准粒子，”Alexey Berdyugin 博士说。“尽管存在极高的磁场，但这些准粒子具有其独特的性质和极高的迁移率。”

正如在Nature Communications 上发表的那样，这项工作描述了电子在超高品质石墨烯超晶格中的行为，并针对霍夫施塔特蝴蝶的分形特征进行了修订。过去十年石墨烯器件制造和测量技术的根本改进使这项工作成为可能。

“准粒子的概念可以说是凝聚态物理学和量子多体系统中最重要的概念之一。它是由理论物理学家 Lev Landau 在 1940 年代引入的，将集体效应描述为‘单粒子激发’，”朱利安解释说屏障“它们被用于许多复杂的系统中，以解释多体效应。”

到目前为止，石墨烯超晶格中集体电子的行为被认为是狄拉克费米子，这是一种具有类似于光子(没有质量的粒子)的独特性质的准粒子，可在高磁场中复制。然而，这并没有考虑到一些实验特征，比如状态的额外简并性，也没有与该状态下准粒子的有限质量相匹配。

作者提出“Brown-Zak 费米子”是存在于高磁场下超晶格中的准粒子家族。其特点是可以直接测量的新量子数。有趣的是，在较低温度下工作使他们能够在超低温下通过交换相互作用解除简并性。

“在磁场存在下，石墨烯中的电子开始以量子化轨道旋转。对于 Brown-Zak 费米子，我们设法在高达 16T(地球磁场的 500,000 倍)的高磁场下恢复了数十微米的直线轨迹。在特定条件下，弹道准粒子感觉不到有效磁场，”Kumaravadivel 博士和 Berdyugin 博士解释说。

在电子系统中，迁移率定义为粒子在施加电流时行进的能力。长期以来，在制造石墨烯等二维系统时，高迁移率一直是圣杯，因为这种材料会呈现额外的特性(整数和分数量子霍尔效应)，并可能允许创建超高频晶体管，即核心组件的计算机处理器。

“在这项研究中，我们准备了超高纯度的超大石墨烯设备”。Kumaravadivel 博士说。这使我们能够实现数百万 cm²/Vs 的迁移率，这意味着粒子将直接穿过整个设备而不会散射。重要的是，这不仅适用于石墨烯中的经典狄拉克费米子，而且适用于工作中报道的 Brown-Zak 费米子。

这些 Brown-Zak 费米子定义了新的金属态，适用于任何超晶格系统，而不仅仅是石墨烯，并为其他基于二维材料的超晶格中的新凝聚态物理问题提供了一个游乐场。

Julien Barrier 补充说：“这些发现当然对于电子传输的基础研究很重要，但我们相信在高磁场下理解新型超晶格器件中的准粒子可以导致新电子器件的开发。”

高迁移率意味着由这种器件制成的晶体管可以在更高的频率下运行，从而允许由这种材料制成的处理器每单位时间执行更多计算，从而使计算机速度更快。施加磁场通常会降低迁移率，并使这种设备无法用于某些应用。Brown-Zak 费米子在高磁场下的高迁移率为在极端条件下运行的电子设备开辟了新的视角。