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研究人员说,碳纳米管薄膜制成的天线在无线应用上的效率与铜一样高,而且更坚固、更灵活,而且容易涂在设备上。
研究人员报告说,双层石墨烯,一种二维纳米材料,导致了之前未知的物质状态。
 
这些新的状态,即所谓的分数量子霍尔效应的表现形式,来自于石墨烯层内和层间电子的复杂相互作用。
 
布朗大学(Brown University)物理学助理教授贾力表示:“研究结果表明,将2D材料紧密堆积在一起,会产生全新的物理学。”他是哥伦比亚大学(Columbia University)博士后研究员,与物理学教授科里•迪安(Cory Dean)和机械工程教授吉姆•霍恩(Jim Hone)一起开展这项工作的。
 
“在材料工程方面,这项工作表明,这些分层系统在创造利用这些新的量子霍尔态的新型电子设备方面是可行的。”
 
霍尔效应是什么?
 
1879年发现的霍尔效应,是当磁场作用于与电流垂直方向的导体时产生的。磁场使电流偏转,产生横向电压,称为霍尔电压。霍尔电压的强度随磁场强度的增大而增大。
 
科学家们在低温和强磁场条件下进行的实验中发现了霍尔效应的量子版本,其上世纪80年代的发现获得了诺贝尔奖。实验结果表明,霍尔电压并非随磁场强度的增大而平稳增大,而是逐步增大(或量子化)。这些步骤是自然基本常数的整数倍,完全独立于实验所用材料的物理组成。
 
几年后,研究人员在接近绝对零度的温度和很强的磁场下发现了量子霍尔态的新类型,其中霍尔电压的量子步骤对应于分数位数,因此被称为分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应的发现获得了1998年的另一个诺贝尔奖。
 
理论家们后来提出,分数量子霍尔效应与被称为复合费米子的准粒子的形成有关。在这种状态下,沐鸣登录每个电子与一个磁通量子结合形成一个复合费米子,携带一个电子电荷的一部分,产生霍尔电压的分数值。
 
复合费米子理论成功地解释了在单个量子阱系统中观察到的无数现象。这项新研究使用双层石墨烯来研究两个量子阱靠近时会发生什么。理论认为两层之间的相互作用会产生一种新型的复合费米子,但在实验中从未观察到。
 
全新的量子物理学
 
在实验中,该团队在多年的工作基础上改进了石墨烯器件的质量,完全用原子平面二维材料制作了超洁净器件。该结构的核心由两层石墨烯层构成,中间有一层薄的六边形氮化硼作为绝缘屏障。采用六方氮化硼作为保护绝缘体,石墨作为导电栅改变通道内电荷载流子密度的方法对双层结构进行封装。
 
“石墨烯惊人的通用性再一次让我们突破了以往设备结构的极限。哥伦比亚大学物理学教授科里·迪恩说。“我们制造这些设备的精确性和可调性现在允许我们探索整个物理学领域,而这个领域最近被认为是完全不可企及的。””
 
然后,研究人员将石墨烯结构暴露在强磁场中——强度是地球磁场的数百万倍。
 
这项研究产生了一系列的分数阶量子霍尔态,其中一些与复合费米子模型表现出极好的一致性,而另一些则从未被预测或观察到。
 
“除了层间的复合费米子外,我们还观察到了复合费米子模型中无法解释的其他特征,”该研究的第一作者之一、博士后研究员史倩慧说。“更仔细的研究表明,令我们惊讶的是,这些新的状态是由复合费米子之间的配对产生的。相邻层和同一层之间的配对相互作用产生了各种新的量子现象,使双层石墨烯成为一个令人兴奋的研究平台。”
 
“特别有趣的是,”机械工程教授Jim Hone说,“有可能承载非阿贝耳波函数的几种新状态——它们不太符合传统的复合费米子模型,但可能在制造超高速量子计算机方面有用。”
当工程师们测试由“剪切排列”的纳米管薄膜制成的天线时,他们发现,不仅导电薄膜能够与常用的铜薄膜的性能相匹配,他们还可以使其更薄,以便更好地处理更高的频率。
 
这项研究结果发表在《应用物理快报》上,它推动了该实验室之前在基于碳纳米管光纤的天线方面的研究。
 
该论文的第一作者Amram Bengio在莱斯大学的化学和生物分子工程师Matteo Pasquali的实验室里完成了这项研究并撰写了这篇论文。
 
“我们将把频率提高到……将用于即将到来的5G一代天线。”
 
本吉欧说,在目标频率为5千兆赫、10千兆赫和14千兆赫时,这些天线很容易与金属天线保持一致。他说:“我们正在提升频率,现在的WiFi和蓝牙网络甚至都不使用这种频率,但未来的5G天线将使用这种频率。”
 
其他研究人员认为,基于纳米管的天线及其固有特性使其无法坚持“辐射效率和频率之间的经典关系”,Bengio指出,但更精细的薄膜实验证明了他们的错误,允许一对一的比较。
 
为了制作这种薄膜,莱斯实验室将纳米管溶解在酸性溶液中,沐鸣快速登陆其中大部分是单壁的,长可达8微米。当纳米管扩散到一个表面时,产生的剪切力会促使纳米管自动排列,这是Pasquali实验室在其他研究中应用的一种现象。
 
Bengio说,虽然气相沉积被广泛应用于金属微量沉积的成批处理过程,但流体相处理方法更适合于可扩展的、连续的天线制造。
 
测试薄膜的大小和玻璃载玻片差不多,厚度在1到7微米之间。具有强大吸引力的范德瓦耳斯力使纳米管结合在一起,这种力使材料的力学性能远远优于铜。
 
新天线可能适用于5G网络,但也适用于飞机,尤其是考虑重量的无人机;作为井下油气勘探无线遥测门户;研究人员表示,未来的“物联网”应用也将如此。
 
本吉欧说:“电磁波在太空中传播的物理原理是有限制的。”“在这方面,我们不会做任何改变。我们正在改变的是,制造所有这些天线的材料比铜更轻、更坚固、更能抵抗各种不利的环境条件。”