麻省理工学院的物理学家和同事们创造了一条五车道的电子高速公路，可以实现超高效的电子产品等。这项研究发表在5月9日的《科学》(Science)杂志上，是同一个团队在过去一年中发现的几项重要发现之一，这些发现涉及一种本质上是铅笔芯独特形式的材料。
麻省理工学院物理系助理教授、该论文的通讯作者Long Ju说:“这一发现对低功率电子设备具有直接意义，因为在电子传播过程中没有能量损失，而在电子分散的常规材料中则不是这样。”
这种现象类似于汽车在开放的收费公路上行驶，而不是穿过社区。附近的汽车可能会被其他司机突然停车或掉头，扰乱原本顺畅的通勤。
这项工作背后的材料被称为菱形五层石墨烯，是两年前由Ju领导的物理学家发现的。“我们发现了一座金矿，每一勺都揭示了一些新的东西，”Ju说，他也隶属于麻省理工学院材料研究实验室。
在去年10月发表于《自然纳米技术》的一篇论文中，Ju及其同事报告了菱形石墨烯的三个重要特性。例如，他们表明，它可以是拓扑的，或者允许电子在材料的边缘不受阻碍地移动，但不能通过中间。这就产生了一条超级高速公路，但需要一个比地球磁场强数万倍的大磁场。
在目前的工作中，该团队报告了在没有磁场的情况下创造超级公路的情况。
麻省理工学院物理学研究生韩同航是该论文的共同第一作者。“我们并不是第一个发现这种普遍现象的人，但我们是在一个非常不同的系统中发现的。与以前的系统相比，我们的系统更简单，也支持更多的电子通道。”“其他材料只能在材料的边缘支撑一条车道的交通。我们突然把它增加到5个。”
论文的其他共同第一作者是卢正光和姚宇轩，他们对这项工作做出了同样的贡献。他是材料研究实验室的博士后。姚作为一名来自清华大学的访问本科生进行了这项工作。其他作者包括麻省理工学院物理学教授傅亮;Jixiang Yang和Junseok Seo，他们都是麻省理工学院物理系的研究生;德克萨斯大学达拉斯分校的Chiho Yoon和Fan Zhang;以及日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。
它是如何工作的
铅笔芯或石墨是由石墨烯组成的，石墨烯是一层碳原子，呈六边形排列，类似于蜂窝结构。菱形石墨烯由五层石墨烯按特定的重叠顺序堆叠而成。
Ju和他的同事们分离出了菱形石墨烯，这要归功于Ju于2021年在麻省理工学院建造的一种新型显微镜，这种显微镜可以在纳米尺度上快速且相对便宜地确定材料的各种重要特性。五层菱形堆叠的石墨烯只有几十亿分之一米厚。
在目前的工作中，研究小组对原来的系统进行了修补，增加了一层二硫化钨(WS2)。“WS2和五层菱形石墨烯之间的相互作用导致了这条在零磁场下运行的五车道高速公路，”Ju说。
Ju小组在菱形石墨烯中发现的这种现象，允许电子在零磁场下无电阻地移动，被称为量子反常霍尔效应。大多数人更熟悉的是超导性，这是一种完全不同的现象，它做同样的事情，但发生在非常不同的材料中。
Ju指出，虽然超导体在20世纪10年代就被发现了，但它花了大约100年的研究才使系统在应用所需的更高温度下工作。“而且世界纪录仍然远低于室温，”他指出。
同样，菱形石墨烯高速公路目前的运行温度约为2开尔文(-456华氏度)。“提高温度需要付出很多努力，但作为物理学家，我们的工作是提供洞察;这是一种认识这种现象的不同方式。”
涉及菱形石墨烯的发现是艰苦研究的结果，但并不一定有效。“我们在好几个月的时间里尝试了很多方法，”韩说，“所以当我们把系统冷却到非常低的温度时，(一条在零磁场下运行的五车道超级公路)就出现了，这是非常令人兴奋的。”
Ju说:“成为第一个在新系统中发现现象的人是非常令人兴奋的，尤其是在我们发现的材料中。”
