正正得负，导体+导体=绝缘体？

研究人员用扭曲的双层石墨烯，创造出了由电子-孔洞对组成的绝缘态。

欧姆定律是物理学中的“大明星”，它阐述了导体电阻、外加电压和电流的关系。材料中的电子（带负电荷的载流子）以一种无序方式运动，并且彼此之间基本独立。现在，物理学家们发现，当载流子之间的相互影响足够强烈时，情况会变得更加有趣。

数年前问世的“扭曲双分子层石墨烯”就是典型例子。这种材料由两层超薄石墨烯层构成，每层石墨烯层包含一层碳原子。如果相邻层的角度稍微扭转，电子就会受到影响，从而产生强烈的相互作用。因此，这种材料可以用于制造超导体。

当地时间9月9日，由来自瑞士苏黎世联邦理工学院固体物理实验室的Klaus Ensslin和Thomas Ihn领导的研究团队在《科学》杂志中发文称，他们观察到了扭曲双层石墨烯的一种新状态。在新状态下，带负电荷的电子和带正电荷的孔洞之间变得非常紧密，以至于材料变成了绝缘体。

博士后研究员Peter Rickhaus说：“在传统实验中，石墨烯层相互扭转约一度，层间的量子力学隧道就会影响电子迁移。在新实验中，我们将扭曲角度增加到了两度以上，这导致电子几乎无法再在两层石墨烯之间隧穿。”

通过施加电场，一层石墨烯中会产生电子，而另一层石墨烯中会产生孔洞。电子和孔洞都能导电，因此，研究人员期望用两层石墨烯制造出低电阻的良导体。然而，在某些特殊条件下，情况会骤然逆转。“如果我们调整电场，使双层结构中出现相同数量的电子和孔洞，材料的电阻会突然剧增，”博士后研究员Folkert de Vries说。连续几个星期，研究人员都没有找到该现象的合理解释。最终，美国德州大学奥斯丁分校研究人员Allan H. MacDonald给予他们关键性的提示——这可能是一种新的密度波。

当材料中电子集体导电并在空间排列成波时，一维导体中会出现电荷密度波。在实验中，电子和孔洞通过静电吸引相互配对，进而形成了集体密度波。然而，电子-孔洞对是电中性的，因此双层石墨烯合在一起后变成了绝缘体。Ensslin说：“这是一种全新的电子-孔洞相关状态，它的总电荷是零。这种中性状态可以用于传递信息或导热。此外，我们还可以通过扭转角度和外加电压对其进行完全控制。但在这项实验中，电子和孔洞处于能量最低的基态，这意味着它们的寿命不受自发衰变的限制。”

Ensslin团队认为新的电子-孔洞相关态可能具有多方面应用潜质，例如：降低Fabry-Pérot谐振器中捕获电子-孔洞对的难度，以及削弱量子存储器对电场噪声的敏感性等等。

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编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：https://phys.org/news/2021-09-insulator-conductors.html

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