研究背景

石墨烯電子譜最明顯的特征是它的狄拉克點，許多有趣的現象往往圍繞著這個點聚集。在低溫下，這種狀態下的內在行為通常被電荷不均勻性所掩蓋，高溫熱激發產生的電子-空穴等離子體（Dirac等離子體）能夠克服這種無序，主導狄拉克點附近的輸運特性。Dirac等離子體被發現具有不尋常的特性，包括量子臨界散射和流體動力學等。

關鍵問題

然而，霍爾磁阻的研究仍存在以下問題：

1、對等離子體在磁場中的行為知之甚少

盡管對金屬體系的大磁阻（MR）機制的探索已經持續了一個多世紀，但仍然存在許多未解之謎，尤其是在各種狄拉克和Weyl體系、奇怪金屬等新材料中報道的MR。

2、液氮溫度以上的MR都很小

無論磁流變行為機制，它總是依賴于磁場B對電子軌跡的彎曲，因此，高載流子遷移率μ是觀測到大磁流變的必要前提。然而，由于遷移率隨著溫度T的升高而降低，導致液氮溫度以上的MR很小。

3、特殊設計產生的大MR通常不均勻

極少數載流子在室溫下保持高流動性的材料都是非補償體系，它們的縱向電阻率ρxx在高B時飽和，導致小MR。只有存在擴展缺陷或特殊設計的四探針器件，產生強烈的非均勻電流，才能導致大但非均勻的MR。

新思路

有鑒于此，曼徹斯特大學A.K. Geim等人報告了量子臨界狀態下的磁輸運。在低磁場中，等離子體在室溫0.1T的磁場中表現出巨大的拋物線磁電阻率，達到100%以上。在這種溫度下，比在任何其他系統中發現的磁電阻率都要高幾個數量級。作者表明這種行為是單層石墨烯獨有的，盡管經常(普朗克極限)散射，但其無質量光譜和超高遷移率為其提供了支持。

隨著在幾特斯拉的磁場中朗道量子化的開始，其中電子空穴等離子體完全位于第0朗道能級，巨大的線性磁電阻率出現。它幾乎不受溫度的影響，可以通過近距離屏蔽來抑制，這表明它是多體起源的。與奇異金屬中的磁輸運和Weyl金屬中預言的所謂量子線性磁電阻有明顯的相似之處，為利用這個定義良好的量子臨界二維系統進一步探索相關物理提供了一個有趣的機會。

技術方案：

1、探究了石墨烯狄拉克等離子體中的電子輸運

作者通過六方氮化硼封裝的MLG制成的多端霍爾棒，展示了狄拉克等離子體對小場的響應，發現相對磁電阻率在NP附近的300 K處達到約110%。

2、表明了狄拉克等離子體的超高遷移率

在室溫下，遷移率超過100,000 cm2 V?1 s?1，低B下反常大的MR歸因于狄拉克費米子的超高遷移率，再加上e-h散射在抑制霍爾電流方面的無效。

3、解析了極端量子極限下奇怪的線性磁流變

作者發現在高B時，狄拉克等離子體中的磁輸移表現出深刻的變化，Δ在10 T時達到約104%，通過比較表明了狄拉克譜和電子質量對如此巨大的MR響應的重要性，還通過Drude模型解析了所觀察到的線性MR理論。

技術優勢：

1、首次在室溫下獲得了比其他系統高幾個數量級的磁電阻率

等離子體在室溫0.1T的磁場中表現出100%以上的拋物線磁電阻率，比在任何其他系統中發現的磁電阻率都要高幾個數量級。

2、發現了室溫下狄拉克等離子體的補償機制

與任何已知的室溫下具有高μ的系統不同，狄拉克等離子體被補償(電荷中性)，使其零霍爾響應允許非飽和MR，而高μ使其變得巨大。

技術細節

非量子化場中的巨型MR

主要器件是由六方氮化硼封裝的MLG制成的多端霍爾棒(hBN)。在低溫度下，它們的遷移率超過106 cm2 V?1 s?1，特征載流子密度約為1011 cm?2。ρxx只對特定的n依賴于t的柵極電壓作出響應。作者展示了狄拉克等離子體對小場的響應，可以看到，在NP ρNP≡ρxx(n=0)處的縱向電阻率成比例地增加到B2。然而，在這個T范圍內，ρNP的變化出乎意料地大，相對磁電阻率在NP附近的300 K處達到約110%，并在200 K處增加3-4倍。

圖 石墨烯狄拉克等離子體中的電子輸運

狄拉克等離子體的高遷移率

對e-h等離子體進一步表征，結果表明，Δ在特征密度n≈nth時迅速遠離NP。在室溫下，遷移率超過100,000 cm2 V?1 s?1，在150k以下，遷移率超過300,000 cm2 V?1s?1。盡管高μ值在摻雜石墨烯中的費米液體體系中是眾所周知的，但在中性石墨烯中量子臨界體系的特征普朗克散射的存在下，遷移率仍然很高，這是出乎意料的。

相比之下，雙分子層和多層石墨烯在液氦溫度下也表現出很高的遷移率，在300 K時僅產生約10,000 cm2 V?1s?1的μB。作者顯示了未封裝的石墨烯在氧化硅襯底上的磁傳輸。這種低質量的MLG表現出三個數量級的小磁流變。通過分析，作者認為低B下反常大的MR是由于狄拉克費米子的超高遷移率，再加上e-h散射在抑制霍爾電流方面的無效。

圖 狄拉克等離子體的超高遷移率

極端量子極限下奇怪的線性磁流變

在高B時，狄拉克等離子體中的磁輸移表現出深刻的變化，例如，在幾特斯拉以上，ρNP(B)從拋物線演變為線性。至于MR量級，Δ在10 T時達到約104%，盡管量子化場呈線性(慢于拋物線)依賴關系，但這在室溫實驗中仍然是最高的。與多層和低質量石墨烯的比較表明了狄拉克譜和電子質量對如此巨大的MR響應的重要性。在第0個LL的等離子體中磁輸運的另一個顯著特征是在給定B處的ρNP隨著T的增加而增加，導致在較高T時由于散射增加而導致較低的Δ，在第0個LL中的磁輸移取決于庫侖相互作用。此外，作者還通過Drude模型解析了所觀察到的線性MR理論。

圖 量子化場中的線性磁流變

展望

總之，作者發現石墨烯中的狄拉克等離子體在低場和高場的液氮溫度下都表現出最高的MRs。石墨烯的巨大磁電阻率源于其磁電阻率ρxx(B)。在量子化場中，石墨烯經歷了系統轉變，成為位于第0LL的e-h等離子體。該觀察也與奇異金屬的物理有關，這些金屬表現出普朗克散射。奇怪的金屬顯示出其電阻率的線性T依賴關系，與本工作的情況形成了明顯的對比。

盡管存在差異，但高場普朗克體系的研究仍然很少，石墨烯的狄拉克等離子體提供了一個理解相關物理的模型系統。在這種情況下，通過使用鄰近屏蔽效應調整電子-電子相互作用來修改磁輸運的可能性特別有吸引力。

審核編輯：劉清