石墨烯量子霍尔效应的“致命点”

鲁汶大学NAPS/IMCN实验室的B. Hackens团队与亚琛工业大学的C. Stampfer团队合作，揭示了石墨烯中“量子霍尔效应”的新的详细显微图片。这一突破之所以成为可能，要归功于Nicolas Moreau（博士生，由FRIA奖学金资助）获得的实验数据，使用自制的“扫描门显微镜”能够在石墨烯器件内的纳米尺度上对电荷载流子的行为进行成像。

传统上，当垂直于载流导体施加磁场时，电荷会偏向导体的边缘，然后导致横向电压的出现：霍尔电压。当电荷被限制在一层非常薄的导电材料（最终，像石墨烯这样的一个原子厚的导体）中，并且在低温和高磁场下测量霍尔电压时，可以达到霍尔效应的量子版本。在这种情况下，电荷在材料边缘传播的通道是完美的一维“边缘态”，由于样品内部存在绝缘区域，电荷反向散射被禁止（边缘态被称为“拓扑保护”），霍尔电压被量化。测量确实表明，将电流除以霍尔电压会产生通用常数e2/h的整数倍，其中e是电子电荷，h是普朗克常数。出于这个原因，量子霍尔效应成为计量学的核心工具，既可以测量基本常数，又可以在所有计量机构中设计极其精确的电阻标准。

原则上，石墨烯中的量子霍尔效应本质上比其他二维系统更强大：在这种材料中甚至在室温下也观察到了这种效应。然而，最近的观察表明，石墨烯中量子霍尔效应的常规图片并不能解释所有的观察结果。例如，即使样品内部不绝缘，也可以测量量子霍尔特征。Nicolas Moreau获得的图像显示，在这种情况下电荷反向散射的“热点”可以在石墨烯器件的所有边缘找到。这种实验观察可以在量子霍尔效应的新显微图片的框架中进行解释，其中量子霍尔通道不是位于样品的相对边缘，而是沿着相同的样品边缘以相反的方向传播。观察到的热点对应于具有离散能级集的缺陷的位置。在这些缺陷的位置，电荷可以通过可用的空能级在反向传播的边缘状态之间形成隧道。

这种新机制就是石墨烯量子霍尔效应的“致命点”。幸运的是，它是可以避免的：反向传播边缘状态的存在与静电有关，并且可以调整设备设计来克服这个问题。除了提供对这种基本量子效应的新理解之外，这项工作因此构成了朝着石墨烯中量子霍尔标准的稳健设计迈出的重要一步。

Figure. （a）一种研究样品的示意图。

石墨烯由两层绝缘六方氮化硼（蓝色）保护，并定义了收缩形状。四个金属触点（金）用于测量设备的电阻Rxx。背栅允许调整石墨烯电荷载流子密度。最后，尖锐的金属尖端由电压V尖端偏置，用于发现在量子霍尔机制中电荷载流子的反向散射发生的位置。（b）样本边缘的能量景观示意图（a 中的橙色区域，红色边框）。在高磁场下，能量被量化（遵循潜在景观的蓝色层）并且一维边缘通道出现在这些水平与费米能量 EF（电化学势能）交叉的地方。在这里，反向传播的边缘通道沿着相同的边缘（蓝色和红色）流动，并且它们之间会出现一个反点（环），从而触发电荷载流子反向散射。

摘自《The Graphene Council》网站