Columbia-forskare har observerat den fraktionerade kvant-Hall-effekten i tvåskiktsgrafen och visat att detta exotiska tillstånd av materia kan stämmas av ett elektriskt fält.

Den fraktionerade kvanthalleffekten, som kan uppstå när elektroner begränsade till tunna ark utsätts för stora magnetfält, är ett slående exempel på kollektivt beteende där tusentals individuella elektroner beter sig som ett enda system. Dock, medan den grundläggande teorin som beskriver denna effekt är väl etablerad, många detaljer om detta kollektiva beteende fortfarande inte är väl förstådda, delvis för att det bara är observerbart i system med extremt låg störning.

grafen, ett atomärt tunt ark av kol, är ett lovande material för studier av den fraktionerade kvant-Hall-effekten både eftersom det kan vara en nästan defektfri kristall, och eftersom forskare kan "justera" laddningstätheten med en extern metall "gate" elektrod och observera hur kvanttillstånden utvecklas som svar. Under de senaste åren, ett samarbete vid Columbia University som omfattar forskare från Mechanical Engineering, Elektroteknik och fysik, utvecklat en rad banbrytande tillverkningstekniker för att dra nytta av denna möjlighet, vilket gör det möjligt för dem att rapportera den första observationen av den fraktionerade kvanthalleffekten i grafen 2009, och den första breda justeringen av effekten 2011.

Ett ännu mer intressant system för att studera den fraktionerade kvanthalleffekten är så kallad dubbelskiktsgrafen, som består av två staplade grafenark. I detta material, användning av två metallstyrelektroder (ovanför och under) möjliggör oberoende inställning av laddningstätheten i varje lager, vilket ger ett helt nytt sätt att manipulera de fraktionerade kvanthallstillstånden. Särskilt, teorin förutspår att det borde vara möjligt att skapa exotiska "icke-abelska" tillstånd som skulle kunna användas för kvantberäkning.

Medan observation av den fraktionerade kvant-Hall-effekten i grafen med ett lager helt enkelt krävde att göra renare enheter, att observera denna effekt i tvåskiktsgrafen visade sig vara svårare. "Vi visste att vi kunde tillverka mycket rena grafenstrukturer med två lager, men vi led av vår oförmåga att få bra elektrisk kontakt eftersom tvåskiktsgrafen utvecklar ett elektroniskt "bandgap" under de höga magnetfält och låga temperaturer som krävs för våra experiment, " säger Cory Dean, professor i fysik som nyligen flyttade till Columbia University, och huvudförfattare på tidningen. Ett kritiskt genombrott var omdesignen av enheterna så att laddningstätheten i kontaktområdena kunde ställas in oberoende av resten av enheten, vilket gjorde att de kunde bibehålla god elektrisk kontakt även under stora magnetfält. "När vi hade den här nya enhetsstrukturen var resultaten spektakulära."

Rapportering den 4 juli, 2014 års upplaga av Vetenskap , Teamet visar förekomsten av den fraktionerade kvant-Hall-effekten i tvåskiktsgrafen och visar bevis på en kontrollerbar fasövergång genom applicering av elektriska fält. En av nyckelfrågorna för att förstå den fraktionerade kvanthalleffekten i vilket system som helst är att identifiera den ordning som är associerad med grundtillståndet. Till exempel, bär alla elektroner associerade inom det kollektiva tillståndet samma spinn? I tvåskiktsgrafen är denna fråga mer komplex eftersom det finns flera grader av symmetri på samma gång. Förutom spinn, elektroner kan polarisera genom att spontant uppehålla sig helt på ett lager kontra det andra. Denna komplexitet ger ett intressant nyfasutrymme att utforska efter nya och ovanliga effekter. Särskilt, flera teorier har förutspått att tillämpning av elektriska fält på tvåskiktsgrafen skulle kunna möjliggöra övergångar mellan dessa marktillståndsordningar. "Detta är en ny experimentknapp som helt enkelt inte är tillgänglig i andra system, " säger James Hone, en professor i maskinteknik och medförfattare på uppsatsen. Teamet har för första gången bekräftat att variation av det pålagda elektriska fältet orsakar en fasövergång, men den exakta karaktären av dessa olika faser förblir en öppen fråga. "Medan teorin förväntar sig att vi kan ställa in marktillståndsordningen, komplexiteten i systemet gör det svårt att avgöra exakt vilken ordning som faktiskt realiseras, " säger fysikprofessor och medförfattare Philip Kim.

"Det är hit nästa fas av vår forskning är på väg, " säger Dean. "Konsekvenserna för detta resultat kan vara långtgående, " han lägger till, "Även om vi ännu inte ser några bevis på icke-abelska stater, det faktum att vi kan modifiera arten av den fraktionerade kvanthalleffekten med elektriska fält är ett riktigt spännande första steg."

Medan tidigare ansträngningar har kunnat visa olika aspekter av provkravet, ingen annan grupp har kunnat sammanföra allt detta till en enda enhet. Dean tillskriver denna framgång den unika samarbetsmiljö som främjas vid Columbia University. "Det här är verkligen en anmärkningsvärd miljö, " han säger, lägga till, "Det öppna utbytet av idéer över flera discipliner gör miljön i Columbia till en bördig grund för att göra stor vetenskap." Enhetstillverkning och inledande testning gjordes vid Columbia University. Mätning under stora magnetfält utfördes sedan av Columbia-teamet med hjälp av National High Magnetic Field Laboratorys användaranläggning i Tallahassee, Florida. "Vi har etablerat en fantastisk relation med NHFML under många år, " säger Dean. "Stödet från NHMFL-personalen på både teknisk och vetenskaplig nivå har varit ovärderlig för våra ansträngningar."