石墨烯诺奖得主最新Nature！狄拉克等离子体在高迁移率石墨烯中的巨磁电阻

在 4月13日 发表在 Nature 上的一篇论文中，曼彻斯特大学的研究人员报告了在环境条件下石墨烯中出现的创纪录的高磁电阻。

在磁场作用下能强烈改变电阻率的材料在各种应用中受到高度追捧，例如，每辆汽车和每台计算机都包含许多微型磁传感器。这样的材料很罕见，大多数金属和半导体在室温和实际可用的磁场下，其电阻率的变化只有百分之一的零头(通常，变化不到1%的百万分之一)。为了观察强磁阻反应，研究人员通常会将材料冷却到液氦温度，这样内部的电子就不会散射，并且可以遵循回旋轨道。

日前，由诺奖得主安德烈·海姆(Andre Geim)教授领导的研究小组发现，在过去20年里，似乎对所有细节都进行了研究的优质老石墨烯表现出了非常强烈的响应，在标准永磁体(约1000高斯)的磁场中达到100%以上。这是所有已知材料中磁电阻率最高的。

为了实现这一目标，研究人员使用了高质量的石墨烯，并将其调整为固有的原始状态，其中只有由温度激发的载流子。这就产生了一种快速移动的“狄拉克费米子”等离子体，尽管经常散射，但它仍表现出惊人的高迁移率。这种狄拉克等离子体的高迁移率和中性都是报道的巨大磁电阻的关键组成部分。

“在过去的10年里，石墨烯器件的电子质量有了显著的提高，每个人似乎都专注于在低液氦温度下发现新现象，忽略了在环境条件下发生的事情。这也许并不奇怪，因为你的样本越冷，它的行为通常就越有趣。我们决定加大研究力度，结果出乎意料地出现了大量意想不到的现象，”论文的通讯作者Alexey Berdyugin博士说。

除了创纪录的磁电阻率，研究人员还发现，在高温下，中性石墨烯会变成所谓的“奇怪金属”。这是电子散射最终变得很快的材料的名称，仅由海森堡不确定性原理决定。人们对奇怪金属的行为知之甚少，目前仍是世界范围内正在研究的一个谜。

曼彻斯特大学的研究为这一领域增添了更多的神秘，它表明石墨烯在高于几特斯拉的磁场中表现出巨大的线性磁电阻，而这种磁电阻与温度的关系很弱。这种高磁场磁电阻再次打破了记录。

线性磁电阻现象自首次被观测到以来，一个多世纪以来一直是一个谜。目前曼彻斯特的工作提供了关于奇怪金属行为和线性磁电阻起源的重要线索。也许，由于石墨烯，这些谜团现在终于可以解决，因为它代表了一个干净，表征良好且相对简单的电子系统。

“在室温下未掺杂的高质量石墨烯为探索一种全新的机制提供了机会，这种机制在原则上甚至在十年前就可以被发现，但不知为何被所有人忽视了。我们计划研究这种奇怪的金属体系，当然，更多有趣的结果、现象和应用将会随之而来。” Nature 论文的主要作者之一Leonid Ponomarenko博士补充道。

论文信息：

Xin, N., Lourembam, J., Kumaravadivel, P. et al. Giant magnetoresistance of Dirac plasma in high-mobility graphene. Nature 616, 270–274 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05807-0