Графит показал новый квантовый сюрприз

Исследователи из Университета Манчестера в Великобритании, возглавляемые доктором Артемом Мищенко, обнаружили квантовый эффект Холла в объемном графите — слоистом кристалле, состоящем из уложенных слоев графена.

Это неожиданный результат, потому что квантовый эффект Холла возможен только в так называемых двумерных (2-D) системах, где движение электронов ограничено плоскостью и должно быть запрещено в перпендикулярном направлении.

Физики также обнаружили, что материал ведет себя по-разному в зависимости от того, содержит ли он нечетное или четное количество графеновых слоев, даже когда количество слоев в кристалле превышает сотни. Работа является важным шагом к пониманию фундаментальных свойств графита, которые часто неправильно понимаются, особенно в последние годы.

В своей работе, опубликованной в Nature Physics, ученые исследовали устройства, сделанные из сколотых кристаллов графита, которые по существу не содержат дефектов. Исследователи сохранили высокое качество материала, также заключив его в другой высококачественный слоистый материал — гексагональный нитрид бора. Они сформировали свои устройства в форме стержня Холла, что позволило им измерить перенос электронов в тонком графите.

«Измерения были довольно просты», — объясняет Цзюнь Инь, первый автор статьи. «Мы пропустили небольшой ток вдоль стержня Холла, приложили сильное магнитное поле, перпендикулярное плоскости стержня Холла, а затем измерили напряжения, генерируемые вдоль и поперек устройства, чтобы извлечь продольное сопротивление и сопротивление Холла.»

«Мы были очень удивлены, когда увидели квантовый эффект Холла (QHE) — последовательность квантованных плато в сопротивлении Холла — с нулевым продольным сопротивлением в наших образцах. Они достаточно толстые, чтобы вести себя так же, как обычный объемный полуметалл, в котором QHE должно быть запрещено» — говорят исследователи.

Исследователи говорят, что QHE исходит из того факта, что приложенное магнитное поле заставляет электроны в графите перемещаться в уменьшенном измерении, причем проводимость допускается только в направлении, параллельном полю. Однако в достаточно тонких образцах это одномерное движение может стать квантованным благодаря образованию стоячих электронных волн. Таким образом, материал превращается из трехмерной электронной системы в двухмерную с дискретными энергетическими уровнями.

Еще одним большим сюрпризом является то, что QHE очень чувствительна к четному / нечетному числу слоев графена. Электроны в графите аналогичны электронам в графене и имеют две разновидности (называемые долинами). Стоячие волны, образованные электронами двух разных ароматов, располагаются на четных или нечетных пронумерованных слоях в графите. В пленках с четным числом слоев количество четных и нечетных слоев одинаково, поэтому энергии стоячих волн разных ароматов совпадают.

Dimensional reduction, quantum Hall effect and layer parity in graphite films, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0427-6 , https://www.nature.com/articles/s41567-019-0427-6