Grafit byder på nye kvanteoverraskelser

Forskere ved University of Manchester i Storbritannien, ledet af Dr. Artem Mishchenko, Prof Volodya Fal'ko og Prof Andre Geim, har opdaget kvante Hall-effekten i bulk grafit - en lagdelt krystal bestående af stablede grafenlag. Dette er et uventet resultat, fordi kvante Hall-effekten kun er mulig i såkaldte to-dimensionelle (2-D) systemer, hvor elektronernes bevægelse er begrænset til et plan og skal udelukkes i den vinkelrette retning. De har også fundet ud af, at materialet opfører sig forskelligt afhængigt af, om det indeholder ulige eller lige antal grafenlag – selv når antallet af lag i krystallen overstiger hundredvis. Værket er et vigtigt skridt til forståelsen af ​​grafittens grundlæggende egenskaber, som ofte er blevet misforstået, især i de senere år.

I deres arbejde, udgivet i Naturfysik , Mishchenko og kolleger studerede enheder lavet af spaltede grafitkrystaller, som i det væsentlige ikke indeholder nogen defekter. Forskerne bevarede også materialets høje kvalitet ved at indkapsle det i et andet lagdelt materiale af høj kvalitet - sekskantet bornitrid. De formede deres enheder i en Hall bar geometri, hvilket gjorde det muligt for dem at måle elektrontransport i den tynde grafit.

"Målingerne var ret enkle." forklarer Dr. Jun Yin, avisens første forfatter. "Vi passerede en lille strøm langs Hall-baren, påført et stærkt magnetfelt vinkelret på Hall-bar-planet og derefter målt spændinger genereret langs og på tværs af enheden for at udtrække langsgående resistivitet og Hall-modstand.

Dimensionel reduktion

Fal'ko, der ledede teoridelen, sagde:"Vi blev ret overraskede, da vi så kvante-Hall-effekten (QHE) - en sekvens af kvantificerede plateauer i Hall-modstanden - ledsaget af nul langsgående resistivitet i vores prøver. Disse er tykke nok til at opføre sig som en normal bulk semimetal, hvor QHE burde være forbudt."

Forskerne siger, at QHE kommer fra det faktum, at det påførte magnetfelt tvinger elektronerne i grafit til at bevæge sig i en reduceret dimension, med ledningsevne kun tilladt i retningen parallelt med feltet. I tynde nok prøver, imidlertid, denne endimensionelle bevægelse kan blive kvantificeret takket være dannelsen af ​​stående elektronbølger. Materialet går altså fra at være et 3-D elektronsystem til et 2-D med diskrete energiniveauer.

Lige/ulige antal af grafenlag er vigtigt

En anden stor overraskelse er, at denne QHE er meget følsom over for lige/ulige antal grafenlag. Elektronerne i grafit ligner dem i grafen og findes i to "smagsvarianter" (kaldet dale). De stående bølger dannet af elektroner med to forskellige smagsvarianter sidder på enten lige eller ulige lag i grafit. I film med lige antal lag, antallet af lige og ulige lag er det samme, så energierne fra de stående bølger af forskellige smage falder sammen.

Situationen er anderledes i film med ulige antal lag, imidlertid, fordi antallet af lige og ulige lag er forskelligt, det er, der er altid et ekstra mærkeligt lag. Dette resulterer i, at energiniveauerne af de stående bølger af forskellige smage skifter i forhold til hinanden og betyder, at disse prøver har reduceret QHE-energigab. Fænomenet fortsætter endda for grafit i hundredvis af lag tykt.

Observationer af den fraktionelle QHE

De uventede opdagelser sluttede ikke der:Forskerne siger, at de også observerede den fraktionelle QHE i tynd grafit under 0,5 K. FQHE er forskellig fra normal QHE og er et resultat af stærke interaktioner mellem elektroner. Disse interaktioner, som ofte kan føre til vigtige kollektive fænomener som superledning, magnetisme og superfluiditet, få ladningsbærerne i et FQHE-materiale til at opføre sig som kvasipartikler med ladning, der er en brøkdel af en elektrons.

"De fleste af de resultater, vi har observeret, kan forklares ved hjælp af en simpel enkelt-elektronmodel, men at se FQHE fortæller os, at billedet ikke er så enkelt, " siger Mishchenko. "Der er masser af elektron-elektron-interaktioner i vores grafitprøver ved høje magnetfelter og lave temperaturer, som viser, at mange-legemes fysik er vigtig i dette materiale."

Vender tilbage til grafit

Grafen har været i rampelyset de sidste 15 år, og med grund, og grafit blev skubbet lidt tilbage af dens et-lags tykke afkom, tilføjer Mishchenko. "Vi er nu vendt tilbage til dette gamle materiale. Viden opnået fra grafenforskning, forbedrede eksperimentelle teknikker (såsom van der Waals monteringsteknologi) og en bedre teoretisk forståelse (igen fra grafenfysik), har allerede givet os mulighed for at opdage denne nye type QHE i grafitenheder, vi har lavet.

"Vores arbejde er et nyt springbræt til yderligere undersøgelser af dette materiale, inklusive mange-krops fysik, som tæthedsbølger, excitonisk kondensation eller Wigner-krystallisation."

Grafitten, der er studeret her, har naturlig (Bernal) stabling, men der er en anden stabil allotrop af grafit - rhombohedral. Der er indtil videre ingen rapporterede transportmålinger på dette materiale, kun masser af teoretiske forudsigelser, herunder højtemperatursuperledning og ferromagnetisme. Manchester-forskerne siger, at de derfor nu planlægger også at udforske denne allotrop.

"I årtier blev grafit brugt af forskere som en slags 'de vises sten', der kan levere alle sandsynlige og usandsynlige fænomener inklusive stuetemperatur superledning, " tilføjer Geim med et smil. "Vores arbejde viser, hvad der er, i princippet, muligt i dette materiale, i hvert fald når det er i sin reneste form."