石墨烯中在0.002 T下观察到的量子霍尔效应

为什么这种奇特的量子效应很重要

电子学由数以万亿计的电子在材料中流动构成，但我们很少能以真正原子尺度的精度来控制它们。在这项工作中，研究人员展示了石墨烯——一种原子厚的碳片——可以支持极其洁净的电子运动，洁净到一个通常只在强磁场中出现的著名量子效应会在比冰箱磁铁还弱得多的磁场中出现。这种控制把我们更靠近在实际条件而非极端实验室中工作的量子电子学。

为电子构建更安静的游乐场

石墨烯之所以备受赞誉，是因为其电子表现得像无质量粒子，以很高的速度穿过材料且阻力极小。然而在实际器件中，灰尘、基底中的电荷和粗糙的边缘会造成不均匀的势能景观，散射电子并掩盖石墨烯的最佳特性。研究团队通过将两层独立的石墨烯堆叠起来，并在它们之间夹入一层超薄的六方氮化硼（hBN）绝缘片来应对这一问题，整个结构被更厚、更洁净的hBN封装并由石墨门控制。在这个精心设计的三明治结构中，一层石墨烯中的电子有助于屏蔽会扰乱另一层电子的随机电场。结果是一个更为均匀的环境，电子可以几乎不受阻碍地传播。

双层如何抑制无序

为了解为什么双层设计能如此有效，研究者考察了两片石墨烯如何在电学上相互作用。薄的hBN隔层阻止了层间真正的电流隧穿，因此每层表现得像独立的通道。但一层中的电荷仍会响应由杂质产生的电场，从而有效地屏蔽另一层。理论表明，随着层间间距缩小，这种相互屏蔽会增强，延长电子在被散射前的传播时间，并使其迁移率相比单层提高三到四倍。针对具有不同接触设计和通道宽度的多台器件的实验确认了更薄的隔层和更宽的通道会带来更洁净、更准直（ballistic）的电子传输。

在极弱磁场中看到量子台阶

如此洁净的环境使团队能够观测到量子霍尔效应，这是二维电子体系的标志。通常为了看到这一效应——电阻在施加磁场时锁定到精确的台阶——研究者依赖强磁体。在这些双层器件的最佳样品中，第一个明显的量子霍尔台阶仅在约0.002特斯拉的磁场下出现，低于典型值几个数量级，甚至优于此前许多石墨烯最高记录样品。对电阻微小起伏的测量（称为Shubnikov–de Haas振荡）表明量子迁移率超过10^7 cm^2 V^−1 s^−1，这意味着电子在量子散射事件之间可以传播极远的距离。更宽的石墨烯通道和精心设计的石墨接触进一步降低了边缘和接触处的无序，有助于在这些极小磁场中显现量子行为。

分数量子化和脆弱的关联态

研究人员进一步将磁场提高到特斯拉量级以寻找分数量子霍尔效应，在该效应中强相互作用使电子形成新的集体态，表现得仿佛携带小于单电子电荷的分数电荷。值得注意的是，他们在仅2特斯拉的场中就观察到在总填充因子为−10/3处的稳健分数量子霍尔台阶，并在稍高的磁场下看到其他分数量子态。通过追踪电阻随温度的变化，他们估算出破坏这些态所需的能隙，发现这些能隙在经比例化后可与或超过其他最先进石墨烯器件中的值。重要的是，这种双层结构中的屏蔽机制似乎比早期依赖邻近金属门的方法更好地保存了这些脆弱的关联相。

对未来器件的意义

用通俗的话说，这项研究展示了如何构建石墨烯器件，使电子运动如同在无摩擦环境中那样平滑，以至于通常需要强磁体才能观察到的量子效应能在极其微弱的磁场中显现，而脆弱的分数量子态仍能存续。通过在两片石墨烯之间插入仅几层原子厚的hBN，团队在材料体相中有效地抑制了无序，使主要的残余限制来自样品的边缘和整体宽度。这一方法为探索奇异量子相提供了有希望的平台，并可能最终为在更易获得的条件下运行的超灵敏传感器或量子技术元件奠定基础。

引用: Mayorov, A.S., Wang, P., Yue, X. et al. Quantum Hall effect at 0.002 T in graphene. Nat Commun 17, 2003 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68695-8

关键词: 石墨烯, 量子霍尔效应, 二维材料, 电子迁移率, 分数量子霍尔