曼彻斯特大学 信用:CC0公共领域 英国曼彻斯特大学的研究人员
阿特姆·米什琴科、沃洛佳·法尔科教授和安德烈·海姆教授发现了块状石墨中的量子霍尔效应——石墨是一种由堆叠的石墨烯层组成的层状晶体
这是一个意想不到的结果，因为量子霍尔效应只可能出现在所谓的二维(2-D)系统中，在这种系统中，电子的运动被限制在一个平面内，在垂直方向上必须被禁止
他们还发现，这种材料的行为取决于它包含奇数还是偶数石墨烯层——即使晶体中的层数超过数百层
这项工作是理解石墨基本性质的重要一步，而石墨的基本性质常常被误解，尤其是在最近几年
在他们发表在《自然物理学》上的工作中，米什琴科和他的同事研究了由裂开的石墨晶体制成的装置，这些晶体基本上不含缺陷
研究人员还通过将其封装在另一种高质量的层状材料——六方氮化硼中来保持这种材料的高质量
他们把他们的设备做成霍尔棒的几何形状，这使他们能够测量薄石墨中的电子传输
“测量非常简单
”博士解释道
这篇论文的第一作者阴军
“我们让小电流通过霍尔棒，施加垂直于霍尔棒平面的强磁场，然后测量沿器件产生的电压，提取纵向电阻率和霍尔电阻
维度缩减 领导理论部分的法尔科说:“当我们看到量子霍尔效应(QHE)——霍尔电阻中的一系列量子化平台——伴随着样品中的零纵向电阻率时，我们非常惊讶
这些足够厚，就像正常的半金属块一样，QHE应该被禁止
" 研究人员说，QHE来自这样一个事实，即施加的磁场迫使石墨中的电子在一个减小的维度上移动，电导率只允许在平行于场的方向上
然而，在足够薄的样品中，由于驻波的形成，这种一维运动可以被量子化
因此，这种材料从一个三维电子系统变成了一个具有离散能级的二维电子系统
石墨烯层的偶数/奇数很重要 另一个大惊喜是这个QHE对偶数/奇数石墨烯层非常敏感
石墨中的电子类似于石墨烯中的电子，有两种“味道”(称为谷)
由两种不同味道的电子形成的驻波位于石墨的偶数或奇数层
在偶数层的电影中，偶数层和奇数层的数量是相同的，所以不同味道的驻波的能量是一致的
然而，奇数层的情况不同，因为偶数层和奇数层的数量不同，即总是有额外的奇数层
这导致不同味道的驻波的能级相对于彼此移动，这意味着这些样品已经减小了QHE能隙
这种现象甚至持续存在于数百层厚的石墨中
分数QHE观测 意想不到的发现并没有就此结束:研究人员说，他们还观察到薄石墨中的分数QHE低于0
5 K
FQHE不同于普通的QHE，它是电子之间强相互作用的结果
这些相互作用通常会导致重要的集体现象，如超导性、磁性和超流性，使得FQHE材料中的电荷载流子表现为准粒子，其电荷只有电子的一小部分
“我们观察到的大多数结果可以用一个简单的单电子模型来解释，但是看到FQHE告诉我们情况并不那么简单，”米什琴科说
“在高磁场和低温下，我们的石墨样品中有大量的电子-电子相互作用，这表明多体物理在这种材料中很重要
" 回到石墨 米什琴科补充说，石墨烯在过去的15年里一直备受关注，这是有原因的，石墨被它一层厚的后代推了回去
“我们现在又回到了这种旧材料上
从石墨烯研究中获得的知识、改进的实验技术(如范德瓦尔斯组装技术)和更好的理论理解(同样来自石墨烯物理学)，已经使我们能够在我们制造的石墨器件中发现这种新型的QHE
“我们的工作是进一步研究这种材料的新的垫脚石，包括多体物理，如密度波、激子凝聚或维格纳结晶
" 这里研究的石墨有天然的(伯纳尔)堆积，但还有另一种稳定的石墨同素异形体——菱面体
到目前为止，还没有关于这种材料的输运测量的报道，只有大量的理论预测，包括高温超导性和铁磁性
曼彻斯特的研究人员说，他们现在也计划探索这种同素异形体
“几十年来，研究人员一直将石墨作为一种‘魔法石’，它可以传递包括室温超导性在内的所有可能和不可能的现象，”盖姆笑着补充道
“我们的工作表明，原则上，在这种材料中什么是可能的，至少当它是最纯粹的形式时
"
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