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X射线散射实验展示石墨烯中电子波图像

2011-10-19 11:14
木中君
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  据美国物理学家组织网近日报道,美国能源部阿尔贡国家实验室的先进光子源(APS)和伊利诺斯大学厄本那—香槟分校的弗雷德里克·塞茨材料研究实验室开展合作,在石墨晶体上进行X射线散射实验,利用重建算法制作了非支撑石墨烯层中电荷的动态“电影”——这也是迄今为止最快的“电影”,达到了0.533埃米(10-10米)和10.3阿秒(10-18秒)的解析度。此项成果发表在11月5日的《科学》杂志上。

  石墨烯是只有一个原子厚度的石墨单原子层,其原子以蜂窝状排列,安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因研究出石墨烯的贡献而荣获今年诺贝尔物理学奖。它具有许多奇特的属性,包括极强的拉力、弹性和优良的导电性、绝热性等,使它在下一代低成本弹性电子学中极具潜力,成为用途最广的新材料之一。而它的电子行为就像迪拉克费米子,涵盖了从高能物理现象到固态结构研究领域。一个关键问题是,这种费米子或者说石墨烯中的电子的运动是否受到库仑斥力的影响?

  一埃米大致是一个氢原子的宽度,而对一阿秒来说,一秒好比宇宙的年龄。如此微小如此快速如何被测量到?研究人员使用非弹性X射线进行的散射实验发现,石墨烯非常有效地屏蔽了库仑力的相互作用,让其中的电子表现得就像半金属中的一个简单的独立电子。他们的研究揭示了几个疑点,包括独立的石墨烯为何不能像预测的那样变成绝缘体。实验还演示了超快动力学研究的一种新途径,为了解材料的最基本属性开辟了新窗口。

  论文指出,实验显示迪拉克费米子的极化程度被激子效应所放大,提升了对准粒子之间相互作用力的屏蔽。作用力强度具有尺度效应(scale-dependent)、有效精细结构常数的特征,其值处于低能级长距离,比最小值要小得多,这表明在整体上,石墨烯电子之间的相互作用非常微弱。

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