Onderzoekers van de Universiteit van Manchester in het VK, geleid door Dr. Artem Mishchenko, Prof Volodya Fal'ko en Prof Andre Geim, hebben het quantum Hall-effect ontdekt in bulkgrafiet - een gelaagd kristal dat bestaat uit gestapelde grafeenlagen. Dit is een onverwacht resultaat omdat het quantum Hall-effect alleen mogelijk is in zogenaamde tweedimensionale (2-D) systemen waar de beweging van elektronen beperkt is tot een vlak en in de loodrechte richting moet worden verboden. Ze hebben ook ontdekt dat het materiaal zich anders gedraagt, afhankelijk van of het een oneven of even aantal grafeenlagen bevat, zelfs als het aantal lagen in het kristal meer dan honderden is. Het werk is een belangrijke stap naar het begrip van de fundamentele eigenschappen van grafiet, die vaak verkeerd worden begrepen, vooral de laatste jaren.

In hun werk, gepubliceerd in Natuurfysica , Mishchenko en collega's bestudeerden apparaten gemaakt van gespleten grafietkristallen, die in wezen geen gebreken bevatten. De onderzoekers behielden de hoge kwaliteit van het materiaal ook door het in te kapselen in een ander hoogwaardig gelaagd materiaal:zeshoekig boornitride. Ze vormden hun apparaten in een Hall-balkgeometrie, waardoor ze het elektronentransport in het dunne grafiet konden meten.

"De metingen waren vrij eenvoudig." legt Dr. Jun Yin uit, de eerste auteur van het artikel. "We passeerden een kleine stroom langs de Hall-bar, toegepast sterk magnetisch veld loodrecht op het Hall-balkvlak en vervolgens gemeten spanningen gegenereerd langs en over het apparaat om longitudinale soortelijke weerstand en Hall-weerstand te extraheren.

Dimensionale reductie

Fal'ko, die het theoriegedeelte leidde, zei:"We waren behoorlijk verrast toen we het kwantum Hall-effect (QHE) zagen - een reeks gekwantiseerde plateaus in de Hall-weerstand - vergezeld van een longitudinale weerstand van nul in onze monsters. Deze zijn dik genoeg om gedragen zich net als een normaal bulkhalfmetaal waarin QHE verboden zou moeten zijn."

De onderzoekers zeggen dat de QHE voortkomt uit het feit dat het aangelegde magnetische veld de elektronen in grafiet dwingt om in een kleinere dimensie te bewegen, met geleidbaarheid alleen toegestaan ​​in de richting evenwijdig aan het veld. In dun genoeg monsters, echter, deze eendimensionale beweging kan gekwantiseerd worden dankzij de vorming van staande elektronengolven. Het materiaal gaat dus van een 3D-elektronensysteem naar een 2D-systeem met discrete energieniveaus.

Even/oneven aantal grafeenlagen is belangrijk

Een andere grote verrassing is dat deze QHE erg gevoelig is voor even/oneven aantal grafeenlagen. De elektronen in grafiet zijn vergelijkbaar met die in grafeen en komen in twee "smaken" (de zogenaamde valleien). De staande golven gevormd door elektronen van twee verschillende smaken zitten op even of oneven genummerde lagen in grafiet. In films met een even aantal lagen, het aantal even en oneven lagen is hetzelfde, dus de energieën van de staande golven van verschillende smaken vallen samen.

De situatie is anders bij films met oneven aantallen lagen, echter, omdat het aantal even en oneven lagen verschillend is, dat is, er is altijd een extra oneven laag. Dit leidt ertoe dat de energieniveaus van de staande golven van verschillende smaken ten opzichte van elkaar verschuiven en dat deze monsters minder QHE-energiehiaten hebben. Het fenomeen blijft zelfs bestaan ​​voor grafiet van honderden lagen dik.

Observaties van de fractionele QHE

De onverwachte ontdekkingen eindigden daar niet:de onderzoekers zeggen dat ze ook de fractionele QHE hebben waargenomen in dun grafiet onder 0,5 K. De FQHE is anders dan normale QHE en is het resultaat van sterke interacties tussen elektronen. Deze interacties, wat vaak kan leiden tot belangrijke collectieve fenomenen zoals supergeleiding, magnetisme en superfluïditeit, zorgen ervoor dat de ladingsdragers in een FQHE-materiaal zich gedragen als quasideeltjes met een lading die een fractie is van die van een elektron.

"De meeste resultaten die we hebben waargenomen, kunnen worden verklaard met behulp van een eenvoudig model met één elektron, maar als we de FQHE zien, weten we dat het beeld niet zo eenvoudig is, ", zegt Mishchenko. "Er zijn tal van elektron-elektron-interacties in onze grafietmonsters bij hoge magnetische velden en lage temperaturen, wat aantoont dat veellichamenfysica belangrijk is in dit materiaal."

Terugkomend op grafiet

Grafeen staat de laatste 15 jaar in de schijnwerpers, en met reden, en grafiet werd een beetje teruggeduwd door zijn eenlaags dikke nakomelingen, voegt Misjtsjenko toe. "We zijn nu teruggekomen op dit oude materiaal. Kennis verkregen uit grafeenonderzoek, verbeterde experimentele technieken (zoals van der Waals assemblagetechnologie) en een beter theoretisch begrip (wederom uit grafeenfysica), heeft ons al in staat gesteld dit nieuwe type QHE te ontdekken in grafietapparaten die we hebben gemaakt.

"Ons werk is een nieuwe opstap naar verder onderzoek naar dit materiaal, inclusief veellichamenfysica, zoals dichtheidsgolven, excitonische condensatie of Wigner-kristallisatie."

Het hier bestudeerde grafiet heeft een natuurlijke (Bernal) stapeling, maar er is nog een stabiel allotroop van grafiet - rhomboëdrisch. Er zijn tot nu toe geen transportmetingen op dit materiaal gerapporteerd, alleen veel theoretische voorspellingen, inclusief supergeleiding bij hoge temperaturen en ferromagnetisme. De Manchester-onderzoekers zeggen dus dat ze nu van plan zijn om ook deze allotroop te verkennen.

"Decennia werd grafiet door onderzoekers gebruikt als een soort 'steen der wijzen' die alle waarschijnlijke en onwaarschijnlijke verschijnselen kan leveren, waaronder supergeleiding bij kamertemperatuur, " voegt Geim er met een glimlach aan toe. "Ons werk laat zien wat er is, in principe, mogelijk in dit materiaal, tenminste als het in zijn puurste vorm is."