Forskare vid University of Manchester i Storbritannien, ledd av Dr. Artem Mishchenko, Prof Volodya Fal'ko och Prof Andre Geim, har upptäckt kvant-Hall-effekten i bulkgrafit – en skiktad kristall som består av staplade grafenlager. Detta är ett oväntat resultat eftersom kvanthalleffekten endast är möjlig i så kallade tvådimensionella (2-D) system där elektronernas rörelse är begränsad till ett plan och måste förbjudas i vinkelrät riktning. De har också funnit att materialet beter sig olika beroende på om det innehåller udda eller jämna antal grafenlager – även när antalet lager i kristallen överstiger hundratals. Arbetet är ett viktigt steg för att förstå grafitens grundläggande egenskaper, som ofta har missuppfattats, särskilt de senaste åren.

I sitt arbete, publiceras i Naturfysik , Mishchenko och kollegor studerade enheter gjorda av kluvna grafitkristaller, som i huvudsak inte innehåller några defekter. Forskarna bevarade den höga kvaliteten på materialet också genom att kapsla in det i ett annat högkvalitativt skiktat material - hexagonal bornitrid. De formade sina enheter i en Hall bar geometri, vilket gjorde att de kunde mäta elektrontransport i den tunna grafiten.

"Mätningarna var ganska enkla." förklarar Dr Jun Yin, tidningens första författare. "Vi passerade en liten ström längs Hall-baren, applicerade ett starkt magnetfält vinkelrätt mot Hall-stångens plan och mätte sedan spänningar som genererades längs och över enheten för att extrahera longitudinell resistivitet och Hall-resistans.

Dimensionell minskning

Fal'ko som ledde teoridelen sa:"Vi blev ganska förvånade när vi såg kvanthalleffekten (QHE) - en sekvens av kvantiserade platåer i Hallresistansen - åtföljd av noll longitudinell resistivitet i våra prover. Dessa är tillräckligt tjocka för att beter sig precis som en normal bulk semimetall där QHE borde vara förbjudet."

Forskarna säger att QHE kommer från det faktum att det applicerade magnetfältet tvingar elektronerna i grafit att röra sig i en reducerad dimension, med ledningsförmåga endast tillåten i riktningen parallell med fältet. I tillräckligt tunna prover, dock, denna endimensionella rörelse kan kvantiseras tack vare bildandet av stående elektronvågor. Materialet går alltså från att vara ett 3-D elektronsystem till ett 2-D med diskreta energinivåer.

Jämnt/udda antal grafenlager är viktigt

En annan stor överraskning är att denna QHE är mycket känslig för jämna/udda antal grafenlager. Elektronerna i grafit liknar de i grafen och finns i två "smaker" (kallade dalar). De stående vågorna som bildas av elektroner med två olika smaker sitter på antingen jämna eller udda numrerade lager i grafit. I filmer med jämnt antal lager, antalet jämna och udda lager är detsamma, så de stående vågornas energier av olika smaker sammanfaller.

Situationen är annorlunda i filmer med udda antal lager, dock, eftersom antalet jämna och udda lager är olika, det är, det finns alltid ett extra udda lager. Detta resulterar i att energinivåerna för de stående vågorna av olika smaker skiftar i förhållande till varandra och innebär att dessa prover har minskat QHE-energigap. Fenomenet kvarstår till och med för grafit i hundratals lager tjocka.

Observationer av bråkdelen QHE

De oväntade upptäckterna slutade inte där:forskarna säger att de också observerade fraktionerad QHE i tunn grafit under 0,5 K. FQHE skiljer sig från normal QHE och är ett resultat av starka interaktioner mellan elektroner. Dessa interaktioner, vilket ofta kan leda till viktiga kollektiva fenomen som supraledning, magnetism och superfluiditet, få laddningsbärarna i ett FQHE-material att bete sig som kvasipartiklar med laddning som är en bråkdel av en elektrons.

"De flesta av resultaten vi har observerat kan förklaras med en enkel enelektronmodell, men att se FQHE säger oss att bilden inte är så enkel, " säger Mishchenko. "Det finns gott om elektron-elektron-interaktioner i våra grafitprover vid höga magnetfält och låga temperaturer, vilket visar att många kroppsfysik är viktig i detta material."

Kommer tillbaka till grafit

Grafen har varit i rampljuset de senaste 15 åren, och med anledning, och grafit trycktes tillbaka lite av sin ettlagertjocka avkomma, tillägger Mishchenko. "Vi har nu kommit tillbaka till det här gamla materialet. Kunskap från grafenforskning, förbättrade experimentella tekniker (som van der Waals monteringsteknik) och en bättre teoretisk förståelse (återigen från grafenfysik), har redan gjort det möjligt för oss att upptäcka den här nya typen av QHE i grafitenheter som vi gjort.

"Vårt arbete är en ny språngbräda för vidare studier av detta material, inklusive många kroppsfysik, som densitetsvågor, excitonisk kondensation eller Wigner-kristallisation."

Grafiten som studeras här har naturlig (Bernal) stapling, men det finns en annan stabil allotrop av grafit - romboedrisk. Det finns inga rapporterade transportmätningar på detta material än så länge, bara massor av teoretiska förutsägelser, inklusive högtemperatursupraledning och ferromagnetism. Manchester-forskarna säger att de nu planerar att utforska denna allotrop också.

"Under decennier användes grafit av forskare som en sorts "de vises sten" som kan leverera alla troliga och osannolika fenomen inklusive supraledning vid rumstemperatur, " tillägger Geim med ett leende. "Vårt arbete visar vad som är, i princip, möjligt i detta material, åtminstone när den är i sin renaste form."