科学家发现操纵电子的新方法

该发现可能最终研制成新型更节能的晶体管和微芯片。

插图来源：Christine Daniloff/MIT

在电场中，当电子通过一个导电材料移动时，电子倾向于遵循阻力最小的路径，即电子运动朝着阻力最小的方向。

但是现在麻省理工学院和曼彻斯特大学的物理学家在非常特定的情况下，发现了出乎意外的电子运动行为。这一发现将导致出现新型的、高度节能的晶体管和电子电路类型。

他们发现，当把一片石墨烯（一种二维排列的纯碳）放置在另一个二维材料的上面，电子反而是横向移动，而不是垂直于电场方向。这种情况的发生甚至没有受磁场的影响，而且这是唯一一种诱导横向流动的方法。

麻省理工学院物理学教授Leonid Levitov解释道，当两个独立的电子流在相反的方向移动，两者交叉流向电场，将抵消两者之间的电荷，产生一种“中立的、无电荷的电流”。他还在本周《科学》杂志上作为资深作者发表了一篇论文描述这些发现。

Levitov说，电流相对于电场确切的运动角度可以被精确控制。在这里，他把电子比作航行于垂直风向的帆船，可以通过调整帆的位置来控制船的运行角度。

Levitov和来自曼彻斯特大学的共同作者Andre Geim说道：这种流动可以通过在电流入口加入一分钟的电压，使材料起到晶体管的作用。在这些材料中的电流是中性的，将不会像传统半导体一样以热能的形式浪费大量的能量。这将使利用这种新型材料的计算机芯片更高效。

“人们普遍认为未来硬件信息处理的方法应该是新型的、非传统的。”Levitov说，“这种信仰背后的推动力量，带来了一系列重要的最新进展，特别是自旋电子学。”这里提到的电子自旋，不只是它们的电荷自旋，还包括它们携带的信息。

Levitov说，麻省理工学院和曼彻斯特大学研究人员演示了这种简单的基于新材料的晶体管。

“这是相当吸引人的作用，它击中了我们所认识的复杂的，所谓拓扑材料的软肋。”Geim说，“很难遇到这样一种现象，它能成为搭建材料科学，粒子物理学，相对论和拓扑学的桥梁。”

在他们的实验中，Levitov、Geim和他们的同事将石墨烯覆盖在氮化硼上面。氮化硼和石墨烯一样，是一种二维材料并能形成六角晶格结构。将它们放在一起之后，这两种材料形成了一种表现行为就像半导体的超晶格。

这种超晶格将致使电子获得一种意想不到的扭转，Levitov描述其为“内置的漩涡”。这能改变电子的运动方向，就像球进行旋转改变它的运动轨迹一样。

研究人员说，电子在石墨烯中的行为就像是无质量的相对论性粒子。因为观察到的效果在粒子物理学上没有已知的类似现象，将拓展了我们对宇宙是如何运行的认识。

Levitov承认道，这种效果是否或者压根不能降低电脑芯片使用的能量仍然是悬而未决的问题。这在早期的发现中，虽然是一个很明显降低局部热能量损失的机会，但是这个系统的其它部分也有可能抵消掉这部分的收益。Levitov说：“这是一个非常吸引人的问题，但仍有待解决。”

Francisco Guinea，他是西班牙Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid的研究教授，并没有参与过这项研究。他称使用这个方法的团队“新颖和富有想象力的……这些在石墨烯中的电流特性在我们所认识的二维材料中具有非常重要的改进。”

Guinea补充道，这项工作具有很大的潜力，因为“二维材料具有特殊的拓扑特性，它们使基于量子信息处理的新技术。”

除了Levitov和Geim，该研究团队还包括曼彻斯特大学研究员Roman Gorbachev；Justin Song，一名麻省理工学院的研究生，目前在加州理工学院任教；曼彻斯特大学研究生Geliang Yu；曼彻斯特大学博士后Freddie Withers，Yang Cao和Artem Mishchenko；以及曼彻斯特大学教授Irina Grigorieva 和Konstantin Novoselov。

这项工作由以下机构提供支持：欧洲研究委员会，英国皇家学会，美国国家科学基金会，美国海军研究办公室和美国空军科学研究办公室。

原文链接：http://newsoffice.mit.edu/2014/moving-electrons-on-graphene-0911

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