十多年来，理论物理学家一直预测石墨烯的范霍夫奇点可能与物质的不同奇异相有关，其中最显着的是手性超导性。范霍夫奇点本质上是结晶固体状态密度 (DOS) 中的一个非光滑点。当石墨烯达到或接近该特定能级时，其电子结构中会形成一个平带，可以占据异常大量的电子。这会导致强烈的多体相互作用，促进或促成奇异物质状态的存在。
到目前为止，石墨烯的可用能级需要用电子填充(即“掺杂”)以使各个相稳定的确切程度已经很难使用模型计算来确定。识别或设计可用于将石墨烯掺杂到范霍夫奇点或超出范霍夫奇点的技术最终可能会导致与奇异物质相相关的有趣观察结果，这反过来又可能为开发新的基于石墨烯的技术铺平道路。
德国斯图加特马克斯普朗克固态研究所的研究人员最近设计了一种方法，可以在范霍夫奇点之外过度掺杂石墨烯。他们的方法发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，结合了两种不同的技术，即镱嵌入和钾吸附。
“在范霍夫奇点附近的实验可调电子密度将是非常可取的，”进行这项研究的研究人员之一菲利普罗森茨威格告诉 Phys.org。“早期的实验表明，石墨烯确实可以在范霍夫水平上稳定('固定')，并且随后可以从这种固定场景中去除电荷载流子。然而，我们提出的问题是，我们是否也可以将更多的电子转移到石墨烯上层，克服奇异点之外的范霍夫钉扎和过度掺杂?除了纯粹的原理证明之外，这将开辟一个尚未探索的相关阶段游乐场，并具有令人兴奋的承诺。”
将石墨烯掺杂到范霍夫奇点本身就是一项具有挑战性的任务，因为它需要每厘米2超过 100 万亿 (10 14 ) 个电子转移到石墨烯层上。石墨烯的掺杂可以通过在其上沉积其他原子物种来实现，这些原子物种将一些电子捐赠给它。
另一种掺杂石墨烯的方法，称为插层，需要将掺杂剂夹在石墨烯与其支撑基板之间。在过去的十年中，这种技术已被证明对于调整材料的电子特性非常有用。
通常，即使将沉积和嵌入方法结合起来，石墨烯的载流子密度也很难增加到任意值。这主要是因为电荷转移最终会饱和，防止其掺杂超过一定水平。
“最近，我们发现某些稀土元素的嵌入，由于其巨大的掺杂效率，已经足以将石墨烯固定在范霍夫奇点上，”罗森茨威格说。“在这种情况下，石墨烯的表面仍然可以自由占据额外的掺杂剂。从镱插层石墨烯的 van Hove 方案开始，通过在顶部沉积钾原子，我们因此能够将载流子密度增加 1.5 倍，远远超出奇点水平。”
在他们的实验中，研究人员使用了镱插层和钾吸附方法。这种方法使他们能够在范霍夫奇点以外的半导体碳化硅 (SiC) 衬底上掺杂一层石墨烯，达到 5.5 x 10 14 cm -2的电荷载流子密度。
“你可以将我们使用的策略与日常生活中的情况进行比较，在这种情况下，需要将笨重的物体抬上楼梯到顶层(在我们的例子中，超出了范霍夫奇点)，”罗森茨威格解释说。“这可能只有通过同时从下方推动(即镱嵌入)和从顶部拉动(即钾吸附)才能成为可能。”
Rosenzweig 和他的同事进行的这项研究证明，在实验环境中掺杂超出范霍夫奇点的石墨烯实际上是可能的。研究人员在柏林亥姆霍兹中心的 BESSY II 同步加速器进行的测试中，使用一种称为角分辨光电子能谱的技术检查了他们的石墨烯系统。这种方法可以直接可视化石墨烯的能带结构及其通过掺杂的演变。
“过度掺杂的可行性以前还不清楚，因为系统首先被固定在奇点水平，占据了大量的电荷载流子，”罗森茨威格说。“实际上，通过将石墨烯的掺杂推向新的水平，我们的研究还在这种原型二维材料的相图中开辟了一个新的未探索的景观。因此，我们希望我们的工作将有助于加强对石墨烯的探索。单层石墨烯中的相关基态，这肯定会引起物理学各个子领域的兴趣。”
未来，Rosenzweig 和他的同事们收集到的发现可以为研究石墨烯中掺杂超出范霍夫奇点的奇异物质状态开辟新的令人兴奋的可能性。此外，这项最近的研究可以增强目前对 van Hove 掺杂石墨烯中强非局域多体相互作用的理解，这些相互作用已被发现对其能级具有显着的翘曲效应。研究人员证明，这种效应在过度掺杂的情况下仍然存在，并且随着石墨烯接近范霍夫奇点，这种效应会越来越大。因此，他们收集的数据也可以激发超越传统费米液体理论的新理论模型的发展。
“既然我们可以在范霍夫水平附近的实验中常规调整掺杂水平，我们正在寻找理论预测的各种奇异相中的任何一种，”罗森茨威格总结道。“为了追星，在外延石墨烯单层中实现非常规超导性当然是一项突破性的发现，有朝一日可能会导致技术应用。无论如何，van-Hove 掺杂石墨烯的激动人心的时刻即将到来。”
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