电子对石墨烯夹层中的声子说了什么？

TU/e和加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所领导的一项由世界各地研究人员参与的合作已经找到了答案，原因和结果已经发表在《科学进展》杂志上

电子携带电能，而振动能由声子携带。了解它们在某些材料中如何相互作用，比如在两个石墨烯层的三明治中，将对未来的光电子器件产生影响

最近的研究表明，石墨烯层以一个小的“魔角”相互扭曲，可以作为完美的绝缘体或超导体。但电子-声子相互作用的物理性质是个谜。作为全球国际合作的一部分，TU/e研究员Klaas Jan Tielrooij领导了一项关于石墨烯层中电子-声子相互作用的研究。他们有一个惊人的发现

电子对两层石墨烯之间的声子说了什么？这听起来像是一个物理学迷因的开始，后面还有一句搞笑的笑点。但克拉斯·扬·蒂尔鲁伊认为情况并非如此。他是TU/e应用物理与科学教育系的副教授，也是发表在《科学进展》上的这项新工作的研究负责人

Tielrooij说：“我们试图了解电子和声子是如何在两个扭曲的石墨烯层内相互‘交谈’的。”

电子是众所周知的与电相关的电荷和能量载体，而声子与原子晶体中原子之间振动的出现有关

“不过，声子不像电子那样是粒子，它们是一种准粒子。然而，它们与某些材料中的电子的相互作用以及它们如何影响电子的能量损失，一段时间以来一直是个谜，”Tielrooij指出

但为什么更多地了解电子-声子相互作用会很有趣？“这些相互作用会对由石墨烯等材料制成的设备的电子和光电性能产生重大影响，我们将在未来看到更多这种材料。”，决定在一个非常特殊的情况下研究电子-声子相互作用——在两层石墨烯中，这些层非常轻微地错位

石墨烯是一种排列在蜂窝晶格中的二维碳原子层，具有高导电性、高柔性和高导热性等令人印象深刻的特性，而且它几乎是透明的

早在2018年，麻省理工学院的Pablo Jarillo Herrero及其同事就获得了物理学世界年度突破奖，表彰他们在twistronics方面的开创性工作，在twisttronics中，相邻的石墨烯层彼此相对旋转很小，以改变石墨烯的电子性质

Tielrooij说：“根据石墨烯层的旋转和电子掺杂方式，可能会产生不同的结果。对于某些掺杂，石墨烯层起到绝缘体的作用，阻止电子的运动。对于其他掺杂，材料的行为就像超导体——一种零电阻的材料，允许电子的无耗散运动。”

更为人所知的是扭曲双层石墨烯，这些结果发生在所谓的错位魔角，即刚刚超过一个旋转度。“层之间的错位很小，但超导体或绝缘体的可能性是一个惊人的结果。”

电子如何损失能量

在他们的研究中，Tielrooij和团队想了解更多关于电子如何在魔角扭曲双层石墨烯（简称MATBG）中损失能量的信息

为了实现这一点，他们使用了一种由两片单层石墨烯（每片0.3纳米厚）组成的材料，它们叠放在一起，相对于彼此错位约一度

然后，使用两种光电测量技术，研究人员能够详细探测电子-声子相互作用，并取得了一些惊人的发现

Tielrooij说：“我们观察到，能量在MATBG中消失得很快——它发生在皮秒的时间尺度上，即百万分之一秒中的百万分之一！”

这一观察结果比单层石墨烯的情况要快得多，尤其是在超低温（特别是低于-73°C）下。“在这种温度下，电子很难失去能量给声子，但这种情况发生在MATBG中。我们观察到，能量在MATBG内消失得很快——它发生在皮秒的时间尺度上，即百万分之一秒中的百万分之一。”

为什么电子会失去能量

那么，为什么电子会通过与声子的相互作用如此迅速地失去能量呢？事实证明，研究人员发现了一个全新的物理过程

日本东京理工学院的Hiroaki Ishizuka补充道：“强电子-声子相互作用是一个全新的物理过程，涉及所谓的电子-声子Umklapp散射。”，他与美国麻省理工学院的Leonid Levitov一起发展了对这一过程的理论理解

声子之间的Umklapp散射是一个经常影响材料中热传递的过程，因为它使相对大量的动量能够在声子之间传递

石冢说：“我们一直看到声子-声子Umklapp散射的影响，因为它会影响（非金属）材料在室温下的导热能力。例如，想想锅柄上的绝缘材料就知道了。”。“然而，电子-声子的Umklapp散射是罕见的。尽管我们在这里首次观察到电子和声子是如何通过Umklap散射相互作用的