SHMFF用戶復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授課題組和中國(guó)科技大學(xué)陳仙輝教授課題組合作首次觀測(cè)黑磷中的量子霍爾效應(yīng),為進(jìn)一步研究黑磷中的量子輸運(yùn)奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Nanotechnology (advance online publication,?doi:10.1038/nnano.2016.42.)上。此工作部分的數(shù)據(jù)采集在中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)的水冷磁體上完成。
新材料的發(fā)展極大地促進(jìn)了凝聚態(tài)物理的研究進(jìn)展。最近,黑磷成為了二維電子氣領(lǐng)域的新成員。在這篇工作中,研究人員首次觀測(cè)到了高質(zhì)量黑磷二維電子氣中的量子霍爾效應(yīng)。利用聚合物轉(zhuǎn)移的方法,將石墨,氮化硼和黑磷的薄層依次疊加在襯底上形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)(圖1 a)。這一結(jié)構(gòu)利用了石墨的導(dǎo)體性質(zhì),靜電屏蔽了來(lái)自于襯底和界面上電荷雜質(zhì)的散射作用,使得黑磷二維電子氣的遷移率達(dá)到了6000 cm2 V-1 s-1。在這樣的高質(zhì)量樣品中,首次觀察到了黑磷中的量子霍爾效應(yīng)(圖1b)。?在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了黑磷中電子自旋劈裂能隙隨溫度以及磁場(chǎng)的變化。課題組發(fā)現(xiàn)黑磷中電子自旋劈裂能量與朗道能級(jí)間隙相當(dāng)。這一特點(diǎn)與黑磷本身的各向異性相結(jié)合,為進(jìn)一步研究黑磷中的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。
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圖1?黑磷晶體管結(jié)構(gòu)圖以及其在穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的量子霍爾效應(yīng)