Графен преподносит еще один сюрприз

Физики из США и Германии открыли еще одно неожиданное свойство чудо-материала графена – он демонстрирует дробный квантовый эффект Холла (FQHE), который отличен от наблюдаемого в традиционных материалах. Открытие является важным для изучения корреляции между релятивистскими частицами и может даже помочь в разработке квантовых компьютеров в будущем.

FQHE встречается, когда заряженные частицы, к примеру электроны, ограничены двумерной плоскостью и подвергаются воздействию перпендикулярного магнитного поля. Если ток течет в направлении оси Х, то в направлении оси Y возникает напряжение. При очень низких температурах это напряжение квантуется с отчетливым шагом.

FQHE отличается от хорошо известного целочисленного квантового эффекта Холла и является результатом сильных взаимодействий между электронами материала. Эти взаимодействия «порождают» квазичастицы с дробным зарядом. Такие квазичастицы подчиняются так называемой дробной статистике, особенности, которая может оказаться важной для разработки квантовых компьютеров. Вдобавок к FQHE это сильное взаимодействие часто приводит к важным коллективным явлениям, таким как сверхпроводимость, магнетизм и сверхтекучесть. Поэтому понимание сильных взаимодействий такого рода является крайне важным в физике конденсированного состояния.

В графене, в отличие от других материалов, квазичастицы–носители заряда имеют крайне высокую подвижность и ведут себя подобно безмассовым релятивистским частицам. Исследователи уже показали, что релятивистские носители заряда в графене сильно взаимодействуют друг с другом и что это может проявляться как FQHE.

Теперь Амир Якоби (Amir Yacoby) с коллегами из Гарвардского университета и Института физики твердого тела Макса Планка показали, что FQHE в графене отличается от такового в других материалах.

«Мы обнаружили необычную последовательность состояний Холла в графене, которые являются следствием глубоких симметрий в материале, - объяснил Якоби. – Эти состояния проливают свет на связь этих симметрий с электрон-электронными взаимодействиями в графене».

Исследователи получили свои результаты с помощью сканирующего микроскопа с одноэлектронным транзистором (SET), зондируя образцы графена с приложенным магнитным полем. SET является специальным типом локального бесконтактного зонда. Он измеряет наличие энергетических щелей в электронном спектре материалов с чувствительностью, которую не могут обеспечить другие методы.

         

Вид головки сканирующего микроскопа с одноэлектронным транзистором со стороны вакуумной камеры. Изображение показывает кончик SET над образцом графена