最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室刘伍明研究组在单层石墨的局域化和相变的研究中取得重要进展。他们发现在杂质足够强的情况下，石墨中狄拉克点附近的态是局域化的，并且局域态和非局域态间的转变是一种Kosterlitz-Thouless (KT) 类型的转变。这项新的研究工作对进一步认识单层石墨的奇异性质具有重要的意义。

 

局域化和金属-绝缘体转变是当今凝聚态物理中的重要问题。普林斯顿大学菲利普•沃伦•安德森（Philip Warren Anderson）教授因为对无序系统中局域化问题的研究获得了1977年诺贝尔物理学奖。安德森证明了在无序存在时，固体中的电子态可分为扩展态和局域态。如果在费米面附近的电子态由于无序而发生从扩展态到局域态的转变，固体将会发生从金属到绝缘体的安德森转变，这是一种量子相变。1973年，英国伯明翰大学J. M. Kosterlitz和D. J. Thouless 提出了拓扑序和拓扑性相变的概念。他们在研究2维XY模型时发现：低温下局域自旋的正反涡旋两两配对，当温度升高到相变的临界温度时，这种配对被热运动所拆散，出现独立运动的正反涡旋。这种新的相变被称为Kosterlitz-Thouless (K-T) 相变。它的特点是：尽管体系在相变点两侧的序参量总为零，但是温度的变化会引起关联函数和拓扑性质的本质性改变，是一种拓扑相变。2004年，英国曼彻斯特大学A. K. Geim教授研究组成功制备单层石墨，引起轰动。单层石墨的特殊之处在于，布洛赫电子在费米面附近的低能近似用相对论性狄拉克方程描述而不是薛定谔方程。人们用理想的单谷狄拉克方程计算后认为，单层石墨中的电子是很难被局域化的。

 

博士后张艳阳、研究员谢心澄、刘伍明与美国普渡大学胡江平教授等合作，研究了单层石墨中存在杂质情况下的输运问题。他们运用紧束缚模型和叠代格林函数的方法数值求解Landauer-Büttiker公式，计算了电导、电导的对数和相应的标度函数。其初步结果发表在Physical Review B 78, 155413 (2008)（Yan-Yang Zhang et al.）上，同时，2008年10月的Physical Review B (http://prb.aps.org/covers/78/15) 对其作为亮点进行了报导和高度评价。最近，他们发现在杂质强度足够大的情况下，单层石墨中狄拉克点附近的态是局域化的，并且局域态和非局域态间的转变是一种K-T类型的转变。研究进一步表明，局域化的存在是由于杂质足够强时，电子行为已完全偏离了理想的单谷狄拉克方程，从而导致显著的谷间散射和背散射。另一方面，该转变之所以为K-T类型则起源于转变点两侧局域电流正反涡旋的配对和非配对，与Kosterlitz和Thouless提出的物理图像一致。这些结果对进一步认识石墨的奇异性质具有重要的意义。这一研究成果已发表在2009年3月10日出版的《物理评论快报》（Physical Review Letters） 102，106401（2009）上。

 

相关研究得到中国科学院、国家自然科学基金委员会和科技部的支持。（来源：中国科学院物理研究所）