石墨烯，一日2篇Nature Physics！

科技 2024-11-11 16:31 河北

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引言

石墨烯，这种由单层碳原子构成的二维材料，因其卓越的电学、力学和热学性质而引起了广泛关注。近年来，随着量子霍尔效应和拓扑相的深入研究，石墨烯在前沿科学领域的应用潜力日益凸显。在极高磁场和低温条件下，石墨烯的 ν = 0 量子霍尔状态表现出独特的绝缘特性，尽管其物理机制尚不完全明确，尤其是与自旋和谷极化相关的特性仍存在争议。

近期，来自法国巴黎萨克雷大学和印度班加罗尔科学院的研究团队分别在《Nature Physics》上发表了两篇重要论文，探讨了单层和双层石墨烯在 ν = 0 状态下的热导特性。这些研究不仅挑战了传统理论预测，还揭示了复杂的自旋和集体激发现象，为进一步理解石墨烯在量子器件中的应用提供了新视角。

石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，因其优异的导电性、力学强度和热导率，被广泛应用于电子器件、能量存储和传感等领域。与传统的半导体材料相比，石墨烯在极高磁场和低温条件下呈现出独特的绝缘态，这使其在量子计算、低功耗电子器件等前沿领域具有极大潜力。然而，由于未掺杂石墨烯本身是无能隙半导体，在极端条件下生成的 ν = 0 绝缘态的物理机制依然不完全明确，尤其是其基态自旋和谷极化的特性还存在争议。因此，如何深入理解和控制石墨烯的 ν = 0 量子霍尔绝缘态成为一大挑战。

近日，来自法国巴黎萨克雷大学F. D. Parmentier课题组在石墨烯 ν = 0 量子霍尔状态研究中取得了新进展。该团队通过精密设计并制造出特定的热传导测量装置，成功探测了单层石墨烯在 ν = 0 状态下的热传输特性。在高磁场和低温条件下，他们观测到石墨烯的体热传导趋于零，与此前理论预测的 ν = 0 基态在极低温下应具有限热导率的结果相矛盾。

利用此热传导测量技术，该团队显著推进了对石墨烯 ν = 0 状态中无电荷集体模式的理解。研究结果表明，CAF 和 KD 基态具有无能隙集体模式，理论上应表现为有限热导，而实验中观察到的热导消失现象暗示可能存在更复杂的自旋和谷相互作用。该成果为进一步揭示石墨烯 ν = 0 量子霍尔状态的微观机制提供了新视角，对理解石墨烯及其在量子器件中的应用具有重要意义。

图1: ν=0基态和石墨烯热传输器件。

研究亮点

（1）本实验首次在高垂直磁场和低温条件下，观察到单层石墨烯在 ν = 0 状态下的体热传导完全消失。这一发现与现有理论对 ν = 0 基态的预测相悖，理论预测 ν = 0 基态即使在低温下也应表现出有限的热导率。

（2）实验通过测量不同基态的热传输性质，发现体热传导的消失可能与自旋和亚晶格极化态的相互作用有关。在此基础上，实验揭示了 ν = 0 的 CAF、FSP 和 KD 等候选基态中，CAF 和 KD 相的集体模式应当具有无能隙性质，从而在极低温下也应具有有限热导；而 F 和 FSP 基态则应表现为绝缘态，集体模式有能隙。

双层石墨烯（BLG）是由两层石墨烯以特定方式堆叠而成的材料，因其在量子霍尔（QH）效应、拓扑相和自旋电子学等领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统的半导体材料相比，双层石墨烯具有优异的电导性、可调性和独特的电子结构等优点。然而，BLG 的 ν = 0 状态在电学测量中表现为电绝缘，这使得通过传统的电导测量方法来识别其竞争相成为一个挑战，因此带来了理论与实验之间的矛盾。

近日，印度班加罗尔科学院Anindya Das研究小组在双层石墨烯的热输运研究中取得了新进展。他们设计并制备了一个双门石墨烯器件，通过变换外部电场和温度，成功测量了 ν = 0 状态的热导率。研究表明，在 ν = 0 状态下，热导率几乎为零，这与理论预期的有限热导率相悖。这一发现暗示 ν = 0 状态中存在间隙的集体激发，提供了对自旋和层间自由度竞争相的深入理解。

利用约 20 mK 的极低温度，研究团队克服了在量子霍尔状态下进行热导率测量的技术挑战，采用约翰逊-尼奎斯特噪声来确定热源的温度。这一创新方法不仅显著提高了对 ν = 0 状态热输运的测量能力，还为后续的研究奠定了基础。研究结果揭示了 ν = 0 状态的热输运特性，有助于进一步探索 BLG 中自发对称性破缺的机制和竞争相的性质，为发展新型电子器件和量子材料提供了重要的理论和实验依据。

图 2：BLG 的 ν = 0 基态、器件示意图和测量装置。

研究亮点

（1）实验首次对双层石墨烯（BLG）中的 ν = 0 状态进行热输运测量，得到了在该状态下热导率消失的结果。这与理论预测的 ν = 0 状态应具有有限热导率的观点形成鲜明对比。

（2）实验通过在不同外电场下进行温度依赖测量，发现 ν = 0 状态存在能隙集体激发。这表明在 ν = 0 状态下，热流无法通过理论上预期的无缝集体激发（如 Goldstone 模式）传递。研究还表明，尽管 ν = 0 状态表现为电绝缘，但其内部可能存在被禁锢的激发态。

文献信息

1. Delagrange, R., Garg, M., Le Breton, G. et al. Vanishing bulk heat flow in the ν = 0 quantum Hall ferromagnet in monolayer graphene. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02672-0

2. Kumar, R., Srivastav, S.K., Roy, U. et al. Absence of heat flow in ν = 0 quantum Hall ferromagnet in bilayer graphene. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02673-z

信息来源：微算云平台

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