作為一種超薄、超強、超柔和超高速的導電體，石墨烯已被電子領域視為具有廣泛應用的神奇材料。但要想充分發(fā)揮石墨烯的巨大潛力，科學家們首先必須了解石墨烯的超能力從何而來。據(jù)物理學家組織網(wǎng)8月3日(北京時間)報道，美國科學家已經(jīng)朝這個方向邁出了最新一步：他們的研究首次證實，石墨烯中電子間的相互作用是石墨烯具有非凡性能的關鍵。相關論文已發(fā)表于《自然·物理學》雜志。

電子在石墨烯中能以接近光速的速度行進，是硅材料中電子移動速度的100倍。由于石墨烯中的電子表現(xiàn)得與沒有質(zhì)量的極端相對論性自由電子一樣，而科學家保羅·狄拉克在1928年用狄拉克方程描述了相對論性的電子行為，因此石墨烯中的電荷載體也被稱為“狄拉克準粒子”，也就是無質(zhì)量的狄拉克費米子。領導該研究的美國加州大學伯克利分校物理學家邁克爾·克羅米說：“石墨烯中的電子對帶電雜質(zhì)制造的庫侖勢作出的回應與傳統(tǒng)的原子—雜質(zhì)系統(tǒng)中非相對論性電子的表現(xiàn)應該極為不同。然而，直到現(xiàn)在，與這種極端相對論性系統(tǒng)有關的許多關鍵理論預言都還沒有得到檢驗。”

而他帶領的研究小組首次在顯微尺度上觀測并記錄了一個門控石墨烯設備中電子和空穴是如何對庫倫勢作出回應的，從而為“電子間相互作用是石墨烯非凡性能的關鍵”的理論提供了實驗支撐。他們先在最常見的半導體基底二氧化硅襯底上放置氮化硼薄片，然后在薄片上沉積一個石墨烯層，由此制成一個門控設備，并利用超高真空掃描隧道顯微鏡(STM)對門控設備進行探測。同時，他們用顯微鏡的尖端自動操縱鈷單體在石墨烯片上構(gòu)建出鈷三聚體來作為制造庫倫勢的帶電雜質(zhì)。

超高真空掃描隧道顯微鏡通過記錄石墨烯電子結(jié)構(gòu)的空間變化，展示了電子和空穴對庫倫勢作出的回應。將實驗中觀測到的電子—空穴不對稱與理論模擬相比較，研究小組不僅能夠驗證相關的理論預測，而且還發(fā)現(xiàn)石墨烯的介電常數(shù)足夠小，而這正是電子間相互作用決定了石墨烯非凡性能的佐證，并且對于理解石墨烯中的電子如何移動非常重要。

“有些研究人員認為，電子與電子的相互作用對石墨烯的內(nèi)在性能而言并不重要，但另一些專家的觀點相反。我們首次用圖像展示了極端相對論性電子如何通過重新排列自己來對庫侖勢作出回應，證明了電子間相互作用是決定石墨烯性能的一個重要因素。”克羅米說。