科学家在石墨中发现量子霍尔效应！
2019-02-27 12:52:45
作者：小烯 来源：石墨烯资讯
曼彻斯特大学的研究人员通过他们二维石墨烯的研究，发现了石墨中的意外现象。由Artem Mishchenko博士，VolodyaFal'ko教授和Andre Geim教授领导的团队在块状石墨中发现了量子霍尔效应（QHE）。
曼彻斯特大学的研究人员通过他们之前对石墨烯的研究，发现了石墨中的意外现象。Andre Geim教授、VolodyaFal'ko教授领导的团队在散装石墨中发现了量子霍尔效应（QHE） 。
这是意想不到的结果，因为量子霍尔效应仅在二维材料中是可能的，其中电子运动的运动受到限制。他们还发现材料的表现取决于它是否含有奇数或偶数个石墨烯层-即使晶体中的层数超过数百个。这项工作是了解石墨基本特性的重要一步，这些特性经常被误解。
“数十年来，研究人员一直将石墨当作一种”哲学家的石头“，它可以提供所有可能的和不可能的现象，甚至包括室温超导性，”Geim评论道。 “我们的工作表明，原则上，在这种材料中，至少它处于纯粹形态时，是有可能的。”
在《NaturePhysics》自然物理学志上发表的文章中，Mishchenko及其同事研究了由剥离的石墨晶体制成的器件，该晶体基本上不含缺陷。研究人员通过将其封装在另一种高质量的二维材料- 六方氮化硼中，保留了高质量的材料。因此，人们可以在几乎完美的薄层石墨样品中来测量该材料中的电子传输。
“测量很简单。”这篇论文的第一作者尹军博士解释说。“我们沿着这个器件通、了一个小电流，施加了强磁场，然后测量了整个器件产生的电流，以提取纵向电阻率和霍尔电阻。”
领导这一理论探索的阿肯教授说：“当我们看到我们的样品中伴随着零纵向电阻率的量子霍尔效应时，我们感到非常惊讶。这种材料很厚，应该像正常的半金属材料一样绝对不可能有量子霍尔效应。
研究人员解释说，这是因为外加磁场迫使石墨中的电子”在少一个维度（二维）的空间“中移动，而在该空间中电子只允许在一个方向上移动。然后，在足够薄的样本中，由于形成驻波电子，这种一维运动可以变得量子化。 材料从3D电子系统变为0D电子系统，在磁场中具有离散的能级。
另外一个大的惊喜是，这种量子霍尔效应对石墨烯层的数目的奇偶性非常敏感，石墨中的电子与石墨烯中的电子类似，有两种”特性“（称为谷）。由两种不同特性的电子形成的驻波位于石墨中的偶数或奇数层。在具有偶数层的薄层中，偶数层和奇数层的数量是相同的，因此不同特性的驻波的能量可以重合。
然而，在具有奇数层的薄层中情况是不同的，因为偶数层和奇数层的数量是不相等，因为总是存在额外的奇数层。这导致不同特性的驻波的能级相对于彼此移位，并且意味着这些样本具有减小的量子霍尔效应能隙。对于数百层厚的石墨，这种现象甚至持续存在。
意外的发现并未就此结束：研究人员还在低于0.5K的温度下观察到薄层石墨中的分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应是电子之间强烈相互作用的结果。这些相互作用通常会导致重要的集体现象，如超导性，磁性和超流体。
”我们观察到的大部分结果都可以用一个简单的单电子模型来解释，但看到分数QHE告诉我们图像并不那么简单，“Mishchenko说。”在高磁场和低温下，我们的石墨样品中存在大量的电子 - 电子相互作用，这表明多体物理在这种材料中很重要。“石墨烯在过去的15年里一直备受关注，因为它具有许多最高级的特性，石墨被有点被人们忽略了。米申科补充说：”我们现在回到这个旧材料。从石墨烯研究中获得的知识，改进的实验技术（例如范德瓦尔斯装配技术）和更好的理论理解（再次来自石墨烯物理学）已经使我们能够在我们制造的石墨器件中发现这种新型量子霍尔效应。
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