使用一种独一无二的仪器设计和制造美国国家标准与技术研究所，一个国际研究小组“公布”了石墨烯的四种电子态，并发现，当暴露在极低温度和极高磁场下时，石墨烯中的电子可以分裂成一组意想不到的、诱人的能级。
这项新研究发表在本周的《自然》杂志上，提出了关于这种令人兴奋的材料的基础物理的几个有趣的问题，并揭示了新的效应，可能使石墨烯在实际应用中比之前预期的更强大。
这四个能级在磁场中分解成不同的能量。最外层环上的两个较小的带代表了石墨烯电子态的进一步分裂。
石墨烯是一种最简单的材料——由单原子厚的碳原子组成的蜂窝状晶格—亚博网站下载—但它却具有许多显著而令人惊讶的复杂特性。测量和理解电子是如何通过薄片传输电流的，对于实现其在广泛应用(包括高速电子和传感器)方面的技术前景非常重要。例如，石墨烯中的电子似乎没有质量，其流动性几乎是硅的100倍。此外，电子通过石墨烯的速度与它们的能量无关，这与硅等材料不同，硅等材料必须施加更大的电压才能提高电子的速度，这样会产生对大多数应用有害的热量。亚博网站下载
为了充分了解石墨烯的电子行为，科学家必须在超高真空、超低温度和大磁场等极端环境下研究材料。在这些条件下，石墨烯薄片可以保持数周的原始状态，并且可以精确地观察到电子之间的能级和相互作用。
NIST最近建造了世界上最强大、最稳定的扫描探针显微镜，它史无前例地结合了低温(低至10毫艾文，或绝对零度以上的万分之一度)、超高真空和高磁场。在使用该仪器进行的第一次测量中，该团队利用其能量，逐个原子地解决了石墨烯中电子能量的细微差异。
“通过这个分辨率，你可以看到新的物理学，”Young Jae Song说，他是一名博士后研究员，帮助NIST开发了这个仪器，并进行了这些首次测量。
研究小组发现的新物理学提出了更多关于石墨烯中电子行为的问题，而不是答案。
由于石墨烯结构的几何和电磁特性，任何给定能级中的一个电子都可以形成四个可能的亚能级，称为“四重奏”。理论家们曾预测，当浸入磁场中时，这四个能级会分裂成不同的能量，但直到最近，还没有一种足够灵敏的仪器来解决这些差异。
NIST研究员Joseph Stroscio说:“当我们在极低温度下增加磁场时，我们观察到电子出乎意料的复杂量子行为。”
根据Stroscio的说法，正在发生的似乎是一种“多体效应”，在这种效应中，电子之间以影响它们的能级的方式强烈相互作用。
对这种行为的一种可能的解释是，电子形成了一种“凝聚物”，在这种凝聚物中，它们不再相互独立地运动，而成为一个单独的协同单位。
“如果我们的假设被证明是正确的，它将为基于石墨烯的更小、产热非常低、高效能的电子设备指明道路，”协助进行测量理论分析的博士后研究员沙菲克·亚当(Shaffique Adam)说。
由Joseph Stroscio领导的研究小组，包括来自NIST、马里兰大学、首尔国立大学、佐治亚理工学院和德克萨斯大学奥斯汀分校的合作者。
该小组的工作最近也被刊登在《自然物理学》杂志上，他们描述了石墨烯的电子能级在沿着材料的晶体结构移动时是如何随位置变化的。能量变化的方式表明相邻层中电子之间的相互作用可能起了作用。