魯汶大學(xué)NAPS/IMCN實(shí)驗(yàn)室的B. Hackens團(tuán)隊(duì)與亞琛工業(yè)大學(xué)的C. Stampfer團(tuán)隊(duì)合作，揭示了石墨烯中“量子霍爾效應(yīng)”的新的詳細(xì)顯微圖片。這一突破之所以成為可能，要?dú)w功于Nicolas Moreau（博士生，由FRIA獎(jiǎng)學(xué)金資助）獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用自制的“掃描門(mén)顯微鏡”能夠在石墨烯器件內(nèi)的納米尺度上對(duì)電荷載流子的行為進(jìn)行成像。
傳統(tǒng)上，當(dāng)垂直于載流導(dǎo)體施加磁場(chǎng)時(shí)，電荷會(huì)偏向?qū)w的邊緣，然后導(dǎo)致橫向電壓的出現(xiàn)：霍爾電壓。當(dāng)電荷被限制在一層非常薄的導(dǎo)電材料（最終，像石墨烯這樣的一個(gè)原子厚的導(dǎo)體）中，并且在低溫和高磁場(chǎng)下測(cè)量霍爾電壓時(shí)，可以達(dá)到霍爾效應(yīng)的量子版本。在這種情況下，電荷在材料邊緣傳播的通道是完美的一維“邊緣態(tài)”，由于樣品內(nèi)部存在絕緣區(qū)域，電荷反向散射被禁止（邊緣態(tài)被稱為“拓?fù)浔Ｗo(hù)”），霍爾電壓被量化。測(cè)量確實(shí)表明，將電流除以霍爾電壓會(huì)產(chǎn)生通用常數(shù)e2/h的整數(shù)倍，其中e是電子電荷，h是普朗克常數(shù)。出于這個(gè)原因，量子霍爾效應(yīng)成為計(jì)量學(xué)的核心工具，既可以測(cè)量基本常數(shù)，又可以在所有計(jì)量機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)極其精確的電阻標(biāo)準(zhǔn)。
原則上，石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)本質(zhì)上比其他二維系統(tǒng)更強(qiáng)大：在這種材料中甚至在室溫下也觀察到了這種效應(yīng)。然而，最近的觀察表明，石墨烯中量子霍爾效應(yīng)的常規(guī)圖片并不能解釋所有的觀察結(jié)果。例如，即使樣品內(nèi)部不絕緣，也可以測(cè)量量子霍爾特征。Nicolas Moreau獲得的圖像顯示，在這種情況下電荷反向散射的“熱點(diǎn)”可以在石墨烯器件的所有邊緣找到。這種實(shí)驗(yàn)觀察可以在量子霍爾效應(yīng)的新顯微圖片的框架中進(jìn)行解釋，其中量子霍爾通道不是位于樣品的相對(duì)邊緣，而是沿著相同的樣品邊緣以相反的方向傳播。觀察到的熱點(diǎn)對(duì)應(yīng)于具有離散能級(jí)集的缺陷的位置。在這些缺陷的位置，電荷可以通過(guò)可用的空能級(jí)在反向傳播的邊緣狀態(tài)之間形成隧道。
這種新機(jī)制就是石墨烯量子霍爾效應(yīng)的“致命點(diǎn)”。幸運(yùn)的是，它是可以避免的：反向傳播邊緣狀態(tài)的存在與靜電有關(guān)，并且可以調(diào)整設(shè)備設(shè)計(jì)來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。除了提供對(duì)這種基本量子效應(yīng)的新理解之外，這項(xiàng)工作因此構(gòu)成了朝著石墨烯中量子霍爾標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)邁出的重要一步。
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Figure. （a）一種研究樣品的示意圖。
石墨烯由兩層絕緣六方氮化硼（藍(lán)色）保護(hù)，并定義了收縮形狀。四個(gè)金屬觸點(diǎn)（金）用于測(cè)量設(shè)備的電阻Rxx。背柵允許調(diào)整石墨烯電荷載流子密度。最后，尖銳的金屬尖端由電壓V尖端偏置，用于發(fā)現(xiàn)在量子霍爾機(jī)制中電荷載流子的反向散射發(fā)生的位置。（b）樣本邊緣的能量景觀示意圖（a 中的橙色區(qū)域，紅色邊框）。在高磁場(chǎng)下，能量被量化（遵循潛在景觀的藍(lán)色層）并且一維邊緣通道出現(xiàn)在這些水平與費(fèi)米能量 EF（電化學(xué)勢(shì)能）交叉的地方。在這里，反向傳播的邊緣通道沿著相同的邊緣（藍(lán)色和紅色）流動(dòng)，并且它們之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反點(diǎn)（環(huán)），從而觸發(fā)電荷載流子反向散射。
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
