分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的中性模式已被證明可以與分?jǐn)?shù)帶電的對應(yīng)物交換能量，但目前尚不清楚它們是否與附近的整數(shù)量子霍爾邊緣通道交換能量。SPEC納米電子學(xué)小組的研究人員與C2N（法國帕萊索）和NIMS（日本筑波）的團(tuán)隊(duì)合作，在石墨烯中進(jìn)行了熱傳遞實(shí)驗(yàn)，回答了這個(gè)問題。通過控制邊緣的靜電，他們觀察到分?jǐn)?shù)量子霍爾狀態(tài)下熱導(dǎo)的最大抑制，這是整數(shù)邊緣通道和中性模式之間能量交換的明顯特征。這項(xiàng)工作確定了量子霍爾制度中未來量子電路的一個(gè)關(guān)鍵問題。
分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理學(xué)中最有趣的現(xiàn)象之一，其中二維電子氣體在受到強(qiáng)磁場作用下的電子相互作用導(dǎo)致具有高度不尋常性質(zhì)的高度奇異狀態(tài)的出現(xiàn)。其中，中性邊緣模式的存在，僅沿樣品邊緣沿沿電荷傳輸方向上游的能量攜帶，推動(dòng)了三十多年的研究。它們的電荷中性使它們非常難以探測，以至于它們在2010年才首次被觀察到。從那時(shí)起，許多工作已經(jīng)解決了中性模式的熱傳輸特性，特別是它們是否與相鄰的反傳播帶電邊緣模式交換能量。最近在這個(gè)主題上取得了重大進(jìn)展，但一個(gè)重要的問題仍然沒有答案：上游中性模式能否交換能量并與距離它們幾百納米的整數(shù)帶電邊緣模式進(jìn)行熱化？這個(gè)問題遠(yuǎn)非微不足道，因?yàn)樗梢陨羁痰馗淖兾覀儚莫?dú)立傳輸通道的角度對量子霍爾效應(yīng)的理解，并影響未來尋求探索和利用分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的非凡性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)。
量子霍爾效應(yīng)的ν=8/3態(tài)的邊緣結(jié)構(gòu)。紅色粗箭頭表示兩種帶整數(shù)電荷的邊緣模式，紅色細(xì)箭頭表示帶小數(shù)電荷的邊緣模式，藍(lán)色虛線箭頭表示中性模式。每種模式的電導(dǎo)率在右側(cè)給出。
為了解決這個(gè)問題，我們通過測量在非常低的溫度和強(qiáng)磁場下沿樣品邊緣攜帶的熱流，在高質(zhì)量的石墨烯樣品中進(jìn)行了熱傳遞測量。在量子霍爾狀態(tài)下，邊緣熱流被量化，通常反映沿邊緣流動(dòng)的彈道整數(shù)和分?jǐn)?shù)邊緣模式的總數(shù)。上游中性模式和下游帶電模式之間的熱交換會(huì)減少邊緣熱流：如果所有模式都完全熱化，則熱流達(dá)到由上游和下游模式數(shù)量之間的差異給出的量化值。重要的是，如果這兩個(gè)數(shù)字相同，則熱交換預(yù)計(jì)將在非常大的長度上進(jìn)行，并且基本上可以忽略不計(jì)。
在C2N下制備的樣品的光學(xué)顯微照片，指示實(shí)驗(yàn)的布線。石墨烯片以綠色突出顯示。
我們專注于分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的填充因子ν= 8/3，其邊緣結(jié)構(gòu)包括兩種帶整數(shù)的下游模式，一種帶分?jǐn)?shù)電荷的下游模式和一種上游中性模式。如果后者不與整數(shù)模式交換能量，我們希望測量4個(gè)獨(dú)立彈道的等效量子化熱流。相反，如果中性模式使用整數(shù)模式完全熱化，則可有效抑制相當(dāng)于單個(gè)彈道的等效物;因此，熱流被量子化為相當(dāng)于2個(gè)彈道通道。
我們的結(jié)果表明，在改變石墨烯樣品的邊緣靜電時(shí)，我們能夠有效地將中性模式耦合到整數(shù)模式。這導(dǎo)致觀察到從具有4通道量子化熱流的非平衡狀態(tài)過渡到具有減少的2通道量化熱流的完全平衡狀態(tài)。
在 ν=8/3 時(shí)作為溫度的函數(shù)測量的量化熱流。非平衡情況顯示為深紅色圓圈，平衡情況顯示為紫色圓圈。直線是4通道和2通道量化熱流的理論預(yù)測。這兩幅漫畫說明了邊緣模式之間的耦合。
這項(xiàng)工作不僅為分?jǐn)?shù)和整數(shù)量子霍爾邊緣模式之間的能量交換提供了明確的答案，而且還強(qiáng)調(diào)了邊緣靜電在量子霍爾效應(yīng)中的核心重要性。
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
