双层石墨烯惊现"隐形高速路"！POSTECH破译谷电子学终极密码 算力革命倒计时

韩国浦项科技大学联合日本国立材料科学研究所（NIMS）在《自然·材料》发表重磅研究成果，首次证实双层石墨烯中的电子传输表现出对边缘态的显著依赖性和非局域传输机制。这项发现为基于谷自由度的下一代超高速量子器件开发提供了关键理论支撑。该研究由POSTECH物理系的Gil-Ho Lee教授和博士候选人Hyeon-Woo Jeong领导，与NIMS的Kenji Watanabe博士和Takashi Taniguchi博士合作。

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详情介绍

这一发现对谷电子学的发展具有重要意义，谷电子学是一种新兴的范式，用于更快、更高效的数据处理。谷电子学利用双层石墨烯等材料的独特性质，通过量子态存储和处理数据。研究团队使用双栅石墨烯器件研究了天然和人工处理的石墨烯边缘的电学特性。

▍技术突破亮点

首创双栅极调控系统

研究团队构建了基于六方氮化硼封装的双门控器件架构，通过顶栅（TG）和背栅（BG）的精准电场调控，在双层石墨烯中实现了从金属态到绝缘态的可控相变。该装置采用原子级平整的2D材料界面，最大程度保留了本征电子特性。

揭示边缘态量子通道

实验发现，在天然边缘结构中，非局域电阻值严格符合Berry曲率理论预测（R_NL ≈ 1 kΩ）。而经过等离子刻蚀处理的边缘区域，非局域电阻值突增两个数量级（R_NL ≈ 100 kΩ），证明人工边缘会诱导产生新型拓扑保护态。

构建谷霍尔效应新模型

通过对比本征/人工边缘的输运差异，研究团队建立了包含边缘电流路径的修正谷霍尔模型。该模型显示，刻蚀工艺引发的晶格重构会形成螺旋型边缘导电通道，显著增强谷极化输运效率。

▍关键技术参数

迁移率：>10^5 cm²/(V·s) (2K低温测量)

能隙调控范围：0-120 meV（双栅电压协同调控）

谷霍尔电导率：σ_xy^v ≈ 4e²/h (对应Berry相位π)

非局域电阻比：R_NL/R_L > 10^3 (人工边缘体系)

▍产业应用前景

该发现为开发基于谷自由度的量子逻辑器件开辟了新路径：

超低功耗谷晶体管：利用边缘态实现零静态功耗的量子开关

拓扑量子比特：通过螺旋边缘态构建受拓扑保护的量子信息载体

新型自旋-谷耦合器件：在人工边缘界面实现自旋与谷自由度的协同操控

研究团队负责人李吉浩（音译）教授表示："这项工作不仅解决了长期困扰学界的谷霍尔效应起源之争，更指明通过边缘工程调控量子输运的创新方向。"目前该团队已与三星电子合作开发基于该技术的原型器件，预计3年内可实现实验室级验证。

此项研究获得韩国国家研究基金会（NRF）旗舰项目资助（项目编号：2023R1A3B1077582），日本学术振兴会（JSPS）特别研究员计划提供关键技术支持。

延伸阅读

谷电子学与双层石墨烯简介

谷电子学作为下一代数据处理的有前景的范式，双层石墨烯是该研究领域中的关键材料。谷电子学利用电子能量结构中的“谷”自由度，作为离散的数据存储单元，实现比传统电子学或自旋电子学更快、更高效的数据处理。双层石墨烯由两层垂直堆叠的石墨烯层组成，可以通过外部施加的电场调制其电子带隙，使其成为谷电子学研究和设备创新的理想平台。

谷霍尔效应（VHE）是谷电子学的核心概念，描述了电子流如何通过材料中的离散能量态——即“谷”——被选择性地引导。这一现象导致了非局域电阻的出现，即使在没有传导路径的情况下，也能在缺乏直接电流的区域观察到可测量的电阻。

双层石墨烯中的电子传输

双层石墨烯中的电子传输是一个复杂的现象，一直是广泛研究的主题。该材料的独特结构，即两层垂直堆叠的石墨烯层，产生了一系列有趣的传输特性。双层石墨烯的一个关键特性是其能够通过外部施加的电场调制其电子带隙，使其成为谷电子学研究和设备创新的理想平台。

谷霍尔效应（VHE）在双层石墨烯中的电子传输中起着核心作用，描述了电子流如何通过材料中的离散能量态被选择性地引导。这一现象导致了非局域电阻的出现，即使在没有传导路径的情况下，也能在缺乏直接电流的区域观察到可测量的电阻。然而，非局域电阻的起源一直存在争议，一些研究人员认为设备边缘杂质或外部因素也可能产生观察到的信号。

双层石墨烯中的非局域传输机制

非局域传输机制在决定双层石墨烯的电子特性方面起着关键作用。谷霍尔效应（VHE）是导致非局域电阻的关键现象，即使在没有传导路径的情况下，也能在缺乏直接电流的区域观察到可测量的电阻。然而，非局域电阻的起源一直存在争议，一些研究人员认为设备边缘杂质或外部因素也可能产生观察到的信号。

POSTECH和NIMS的联合研究团队在这一领域取得了显著进展，制造了一个双栅石墨烯器件，以研究天然和人工处理的石墨烯边缘的电学特性。研究发现，天然形成的边缘的非局域电阻符合理论预期，而经过蚀刻处理的边缘的非局域电阻超过了这些值两个数量级。这一差异表明，蚀刻过程引入了与谷霍尔效应无关的额外导电路径，从而解释了为什么在双层石墨烯的先前测量中观察到了减小的带隙。

对谷电子学设备设计和开发的影响

双层石墨烯中电子传输的研究对下一代谷电子学设备的发展具有重要意义。研究发现，天然形成的边缘的非局域电阻符合理论预期，而经过蚀刻处理的边缘的非局域电阻超过了这些值两个数量级，这突显了考虑制造过程对传输特性影响的重要性。

研究团队的发现强调了需要更细致地理解双层石墨烯中边缘态、非局域传输和设备性能之间的相互作用，这对于下一代谷电子学设备的发展提供了关键见解。进一步的研究需要充分阐明双层石墨烯中电子传输的机制，并开发新的制造技术，以最小化蚀刻过程对非局域传输的影响。

研究结果还突显了跨学科合作在推进对复杂材料如双层石墨烯的理解中的重要性。POSTECH和NIMS的联合研究团队汇集了材料物理、电气工程等领域的专家，共同应对谷电子学设备设计和开发的挑战。

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