Дробный квантовый эффект Холла, который может возникнуть, когда электроны, заключенные в тонких листах, подвергаются воздействию сильных магнитных полей, является ярким примером коллективного поведения, когда тысячи отдельных электронов ведут себя как единая система. Однако, хотя основная теория, описывающая этот эффект, хорошо известна, многие детали этого коллективного поведения остаются не совсем понятными, отчасти потому, что оно наблюдается только в системах с чрезвычайно низким беспорядком.
Графен, атомарно тонкий лист углерода, является многообещающим материалом для изучения дробного квантового эффекта Холла как потому, что он может быть почти бездефектным кристаллом, так и потому, что исследователи могут «настраивать» плотность заряда с помощью внешнего металлического «затвора». ‘электрод и наблюдайте, как квантовые состояния развиваются в ответ. За последние несколько лет совместными усилиями в Колумбийском университете исследователей из машиностроения, электротехники и физики был разработан ряд революционных технологий изготовления, чтобы воспользоваться этой возможностью, что позволило им сообщить о первом наблюдении дробного кванта. Эффект Холла в графене в 2009 г. и первая широкодиапазонная перестройка эффекта в 2011 г.
Еще более интересной системой для изучения дробного квантового эффекта Холла является так называемый двухслойный графен, который состоит из двух уложенных друг на друга листов графена. В этом материале использование двух металлических электродов затвора (сверху и снизу) позволяет независимо настраивать плотность заряда в каждом слое, что обеспечивает совершенно новый способ манипулирования дробными квантовыми состояниями Холла. В частности, теория предсказывает возможность создания экзотических «неабелевых» состояний, которые можно использовать для квантовых вычислений.В то время как наблюдение дробного квантового эффекта Холла в однослойном графене требовало простого создания более чистых устройств, наблюдение этого эффекта в двухслойном графене оказалось более трудным. «Мы знали, что можем изготавливать очень чистые структуры из двухслойного графена, но мы страдали от нашей неспособности установить хороший электрический контакт, поскольку двухслойный графен создает электронную« запрещенную зону »в сильных магнитных полях и низких температурах, необходимых для наших экспериментов», — говорит он.
Кори Дин, профессор физики, недавно переехавший в Колумбийский университет, и ведущий автор статьи. Важным прорывом стала новая конструкция устройств, позволяющая регулировать плотность заряда в контактных областях независимо от остальной части устройства, что позволило им поддерживать хороший электрический контакт даже в сильных магнитных полях. «Когда у нас появилась эта новая структура устройства, результаты были впечатляющими».В сообщении в журнале Science от 4 июля 2014 г. команда демонстрирует существование дробного квантового эффекта Холла в двухслойном графене и демонстрирует доказательства контролируемого фазового перехода с помощью приложения электрических полей.
Одним из ключевых вопросов к пониманию дробного квантового эффекта Холла в любой системе является определение порядка, связанного с основным состоянием. Например, все ли электроны, связанные с коллективным состоянием, несут один и тот же спин?
В двухслойном графене этот вопрос более сложен, поскольку одновременно действуют несколько степеней симметрии. Помимо спина, электроны могут поляризоваться, спонтанно оставаясь полностью на одном слое, а не на другом. Эта сложность обеспечивает интересное новое фазовое пространство для исследования новых и необычных эффектов. В частности, несколько теорий предсказали, что приложение электрических полей к двухслойному графену может обеспечить переходы между этими порядками основного состояния.
«Это новая экспериментальная ручка, которой просто нет в других системах», — говорит Джеймс Хоун, профессор машиностроения и соавтор статьи. Команда впервые подтвердила, что изменение приложенного электрического поля вызывает фазовый переход, но точная природа этих различных фаз остается открытым вопросом. «Хотя теория предполагает, что мы можем настроить порядок основного состояния, сложность системы затрудняет определение того, какой именно порядок на самом деле реализуется», — говорит профессор физики и соавтор Филип Ким.
«Вот куда направляется следующий этап нашего исследования», — говорит Дин. «Последствия для этого результата могут иметь далеко идущие последствия, — добавляет он, — хотя мы еще не видим никаких доказательств существования неабелевых состояний, тот факт, что мы можем изменять природу дробного квантового эффекта Холла электрическими полями, является действительно захватывающий первый шаг ».Несмотря на то, что предыдущие усилия позволили продемонстрировать различные аспекты требований к образцу, ни одна другая группа не смогла собрать все это воедино в одном устройстве.
Дин связывает этот успех с уникальной средой сотрудничества, созданной в Колумбийском университете. «Это действительно замечательная среда, — говорит он, добавляя: — Открытый обмен идеями по нескольким дисциплинам делает окружающую среду в Колумбии благодатной почвой для выполнения великих научных исследований». Изготовление устройства и первоначальные испытания проводились в Колумбийском университете.
Затем измерения в сильных магнитных полях были выполнены группой из Колумбии с помощью пользовательского объекта Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси, Флорида. «Мы установили фантастические отношения с NHFML на протяжении многих лет, — говорит Дин. «Поддержка, оказанная персоналом NHMFL как на техническом, так и на научном уровне, неоценима для наших усилий».