石墨烯中狄拉克等离子体的巨磁阻效应

研究背景

石墨烯电子谱最明显的特征是它的狄拉克点，许多有趣的现象往往围绕着这个点聚集。在低温下，这种状态下的内在行为通常被电荷不均匀性所掩盖，高温热激发产生的电子-空穴等离子体（Dirac等离子体）能够克服这种无序，主导狄拉克点附近的输运特性。Dirac等离子体被发现具有不寻常的特性，包括量子临界散射和流体动力学等。

关键问题

然而，霍尔磁阻的研究仍存在以下问题：

1、对等离子体在磁场中的行为知之甚少

尽管对金属体系的大磁阻（MR）机制的探索已经持续了一个多世纪，但仍然存在许多未解之谜，尤其是在各种狄拉克和Weyl体系、奇怪金属等新材料中报道的MR。

2、液氮温度以上的MR都很小

无论磁流变行为机制，它总是依赖于磁场B对电子轨迹的弯曲，因此，高载流子迁移率μ是观测到大磁流变的必要前提。然而，由于迁移率随着温度T的升高而降低，导致液氮温度以上的MR很小。

3、特殊设计产生的大MR通常不均匀

极少数载流子在室温下保持高流动性的材料都是非补偿体系，它们的纵向电阻率ρxx在高B时饱和，导致小MR。只有存在扩展缺陷或特殊设计的四探针器件，产生强烈的非均匀电流，才能导致大但非均匀的MR。

新思路

有鉴于此，曼彻斯特大学A.K. Geim等人报告了量子临界状态下的磁输运。在低磁场中，等离子体在室温0.1T的磁场中表现出巨大的抛物线磁电阻率，达到100%以上。在这种温度下，比在任何其他系统中发现的磁电阻率都要高几个数量级。作者表明这种行为是单层石墨烯独有的，尽管经常(普朗克极限)散射，但其无质量光谱和超高迁移率为其提供了支持。

随着在几特斯拉的磁场中朗道量子化的开始，其中电子空穴等离子体完全位于第0朗道能级，巨大的线性磁电阻率出现。它几乎不受温度的影响，可以通过近距离屏蔽来抑制，这表明它是多体起源的。与奇异金属中的磁输运和Weyl金属中预言的所谓量子线性磁电阻有明显的相似之处，为利用这个定义良好的量子临界二维系统进一步探索相关物理提供了一个有趣的机会。

技术方案：

1、探究了石墨烯狄拉克等离子体中的电子输运

作者通过六方氮化硼封装的MLG制成的多端霍尔棒，展示了狄拉克等离子体对小场的响应，发现相对磁电阻率在NP附近的300 K处达到约110%。

2、表明了狄拉克等离子体的超高迁移率

在室温下，迁移率超过100,000 cm2 V−1 s−1，低B下反常大的MR归因于狄拉克费米子的超高迁移率，再加上e-h散射在抑制霍尔电流方面的无效。

3、解析了极端量子极限下奇怪的线性磁流变

作者发现在高B时，狄拉克等离子体中的磁输移表现出深刻的变化，Δ在10 T时达到约104%，通过比较表明了狄拉克谱和电子质量对如此巨大的MR响应的重要性，还通过Drude模型解析了所观察到的线性MR理论。

  技术优势：

1、首次在室温下获得了比其他系统高几个数量级的磁电阻率

等离子体在室温0.1T的磁场中表现出100%以上的抛物线磁电阻率，比在任何其他系统中发现的磁电阻率都要高几个数量级。

2、发现了室温下狄拉克等离子体的补偿机制

与任何已知的室温下具有高μ的系统不同，狄拉克等离子体被补偿(电荷中性)，使其零霍尔响应允许非饱和MR，而高μ使其变得巨大。

  技术细节

非量子化场中的巨型MR

主要器件是由六方氮化硼封装的MLG制成的多端霍尔棒(hBN)。在低温度下，它们的迁移率超过106 cm2 V−1 s−1，特征载流子密度约为1011 cm−2。ρxx只对特定的n依赖于t的栅极电压作出响应。作者展示了狄拉克等离子体对小场的响应，可以看到，在NP ρNP≡ρxx(n=0)处的纵向电阻率成比例地增加到B2。然而，在这个T范围内，ρNP的变化出乎意料地大，相对磁电阻率在NP附近的300 K处达到约110%，并在200 K处增加3-4倍。

图 石墨烯狄拉克等离子体中的电子输运

  狄拉克等离子体的高迁移率

对e-h等离子体进一步表征，结果表明，Δ在特征密度n≈nth时迅速远离NP。在室温下，迁移率超过100,000 cm2 V−1 s−1，在150k以下，迁移率超过300,000 cm2 V−1s−1。尽管高μ值在掺杂石墨烯中的费米液体体系中是众所周知的，但在中性石墨烯中量子临界体系的特征普朗克散射的存在下，迁移率仍然很高，这是出乎意料的。

相比之下，双分子层和多层石墨烯在液氦温度下也表现出很高的迁移率，在300 K时仅产生约10,000 cm2 V−1s−1的μB。作者显示了未封装的石墨烯在氧化硅衬底上的磁传输。这种低质量的MLG表现出三个数量级的小磁流变。通过分析，作者认为低B下反常大的MR是由于狄拉克费米子的超高迁移率，再加上e-h散射在抑制霍尔电流方面的无效。

图 狄拉克等离子体的超高迁移率

极端量子极限下奇怪的线性磁流变

在高B时，狄拉克等离子体中的磁输移表现出深刻的变化，例如，在几特斯拉以上，ρNP(B)从抛物线演变为线性。至于MR量级，Δ在10 T时达到约104%，尽管量子化场呈线性(慢于抛物线)依赖关系，但这在室温实验中仍然是最高的。与多层和低质量石墨烯的比较表明了狄拉克谱和电子质量对如此巨大的MR响应的重要性。在第0个LL的等离子体中磁输运的另一个显著特征是在给定B处的ρNP随着T的增加而增加，导致在较高T时由于散射增加而导致较低的Δ，在第0个LL中的磁输移取决于库仑相互作用。此外，作者还通过Drude模型解析了所观察到的线性MR理论。

图 量子化场中的线性磁流变

展望

总之，作者发现石墨烯中的狄拉克等离子体在低场和高场的液氮温度下都表现出最高的MRs。石墨烯的巨大磁电阻率源于其磁电阻率ρxx(B)。在量子化场中，石墨烯经历了系统转变，成为位于第0LL的e-h等离子体。该观察也与奇异金属的物理有关，这些金属表现出普朗克散射。奇怪的金属显示出其电阻率的线性T依赖关系，与本工作的情况形成了明显的对比。

尽管存在差异，但高场普朗克体系的研究仍然很少，石墨烯的狄拉克等离子体提供了一个理解相关物理的模型系统。在这种情况下，通过使用邻近屏蔽效应调整电子-电子相互作用来修改磁输运的可能性特别有吸引力。

审核编辑：刘清