石墨烯，這種由單層碳原子構(gòu)成的二維材料，因其卓越的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)而引起了廣泛關(guān)注。近年來(lái)，隨著量子霍爾效應(yīng)和拓?fù)湎嗟纳钊胙芯浚┰谇把乜茖W(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力日益凸顯。在極高磁場(chǎng)和低溫條件下，石墨烯的 ν = 0 量子霍爾狀態(tài)表現(xiàn)出獨(dú)特的絕緣特性，盡管其物理機(jī)制尚不完全明確，尤其是與自旋和谷極化相關(guān)的特性仍存在爭(zhēng)議。
近期，來(lái)自法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)和印度班加羅爾科學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)分別在《Nature Physics》上發(fā)表了兩篇重要論文，探討了單層和雙層石墨烯在 ν = 0 狀態(tài)下的熱導(dǎo)特性。這些研究不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)理論預(yù)測(cè)，還揭示了復(fù)雜的自旋和集體激發(fā)現(xiàn)象，為進(jìn)一步理解石墨烯在量子器件中的應(yīng)用提供了新視角。
石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維材料，因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、力學(xué)強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，被廣泛應(yīng)用于電子器件、能量存儲(chǔ)和傳感等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，石墨烯在極高磁場(chǎng)和低溫條件下呈現(xiàn)出獨(dú)特的絕緣態(tài)，這使其在量子計(jì)算、低功耗電子器件等前沿領(lǐng)域具有極大潛力。然而，由于未摻雜石墨烯本身是無(wú)能隙半導(dǎo)體，在極端條件下生成的 ν = 0 絕緣態(tài)的物理機(jī)制依然不完全明確，尤其是其基態(tài)自旋和谷極化的特性還存在爭(zhēng)議。因此，如何深入理解和控制石墨烯的 ν = 0 量子霍爾絕緣態(tài)成為一大挑戰(zhàn)。
近日，來(lái)自法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)F. D. Parmentier課題組在石墨烯 ν = 0 量子霍爾狀態(tài)研究中取得了新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密設(shè)計(jì)并制造出特定的熱傳導(dǎo)測(cè)量裝置，成功探測(cè)了單層石墨烯在 ν = 0 狀態(tài)下的熱傳輸特性。在高磁場(chǎng)和低溫條件下，他們觀測(cè)到石墨烯的體熱傳導(dǎo)趨于零，與此前理論預(yù)測(cè)的 ν = 0 基態(tài)在極低溫下應(yīng)具有限熱導(dǎo)率的結(jié)果相矛盾。
利用此熱傳導(dǎo)測(cè)量技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)顯著推進(jìn)了對(duì)石墨烯 ν = 0 狀態(tài)中無(wú)電荷集體模式的理解。研究結(jié)果表明，CAF 和 KD 基態(tài)具有無(wú)能隙集體模式，理論上應(yīng)表現(xiàn)為有限熱導(dǎo)，而實(shí)驗(yàn)中觀察到的熱導(dǎo)消失現(xiàn)象暗示可能存在更復(fù)雜的自旋和谷相互作用。該成果為進(jìn)一步揭示石墨烯 ν = 0 量子霍爾狀態(tài)的微觀機(jī)制提供了新視角，對(duì)理解石墨烯及其在量子器件中的應(yīng)用具有重要意義。
（1）本實(shí)驗(yàn)首次在高垂直磁場(chǎng)和低溫條件下，觀察到單層石墨烯在 ν = 0 狀態(tài)下的體熱傳導(dǎo)完全消失。這一發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有理論對(duì) ν = 0 基態(tài)的預(yù)測(cè)相悖，理論預(yù)測(cè) ν = 0 基態(tài)即使在低溫下也應(yīng)表現(xiàn)出有限的熱導(dǎo)率。
（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量不同基態(tài)的熱傳輸性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)體熱傳導(dǎo)的消失可能與自旋和亞晶格極化態(tài)的相互作用有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)揭示了 ν = 0 的 CAF、FSP 和 KD 等候選基態(tài)中，CAF 和 KD 相的集體模式應(yīng)當(dāng)具有無(wú)能隙性質(zhì)，從而在極低溫下也應(yīng)具有有限熱導(dǎo)；而 F 和 FSP 基態(tài)則應(yīng)表現(xiàn)為絕緣態(tài)，集體模式有能隙。
雙層石墨烯（BLG）是由兩層石墨烯以特定方式堆疊而成的材料，因其在量子霍爾（QH）效應(yīng)、拓?fù)湎嗪妥孕娮訉W(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比，雙層石墨烯具有優(yōu)異的電導(dǎo)性、可調(diào)性和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。然而，BLG 的 ν?=?0 狀態(tài)在電學(xué)測(cè)量中表現(xiàn)為電絕緣，這使得通過(guò)傳統(tǒng)的電導(dǎo)測(cè)量方法來(lái)識(shí)別其競(jìng)爭(zhēng)相成為一個(gè)挑戰(zhàn)，因此帶來(lái)了理論與實(shí)驗(yàn)之間的矛盾。
近日，印度班加羅爾科學(xué)院Anindya Das研究小組在雙層石墨烯的熱輸運(yùn)研究中取得了新進(jìn)展。他們?cè)O(shè)計(jì)并制備了一個(gè)雙門石墨烯器件，通過(guò)變換外部電場(chǎng)和溫度，成功測(cè)量了 ν?=?0 狀態(tài)的熱導(dǎo)率。研究表明，在 ν?=?0 狀態(tài)下，熱導(dǎo)率幾乎為零，這與理論預(yù)期的有限熱導(dǎo)率相悖。這一發(fā)現(xiàn)暗示 ν?=?0 狀態(tài)中存在間隙的集體激發(fā)，提供了對(duì)自旋和層間自由度競(jìng)爭(zhēng)相的深入理解。
利用約 20 mK 的極低溫度，研究團(tuán)隊(duì)克服了在量子霍爾狀態(tài)下進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)量的技術(shù)挑戰(zhàn)，采用約翰遜-尼奎斯特噪聲來(lái)確定熱源的溫度。這一創(chuàng)新方法不僅顯著提高了對(duì) ν?=?0 狀態(tài)熱輸運(yùn)的測(cè)量能力，還為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。研究結(jié)果揭示了 ν?=?0 狀態(tài)的熱輸運(yùn)特性，有助于進(jìn)一步探索 BLG 中自發(fā)對(duì)稱性破缺的機(jī)制和競(jìng)爭(zhēng)相的性質(zhì)，為發(fā)展新型電子器件和量子材料提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
圖 2：BLG 的 ν?=?0 基態(tài)、器件示意圖和測(cè)量裝置。
（1）實(shí)驗(yàn)首次對(duì)雙層石墨烯（BLG）中的 ν?=?0 狀態(tài)進(jìn)行熱輸運(yùn)測(cè)量，得到了在該狀態(tài)下熱導(dǎo)率消失的結(jié)果。這與理論預(yù)測(cè)的 ν?=?0 狀態(tài)應(yīng)具有有限熱導(dǎo)率的觀點(diǎn)形成鮮明對(duì)比。
（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)在不同外電場(chǎng)下進(jìn)行溫度依賴測(cè)量，發(fā)現(xiàn) ν?=?0 狀態(tài)存在能隙集體激發(fā)。這表明在 ν?=?0 狀態(tài)下，熱流無(wú)法通過(guò)理論上預(yù)期的無(wú)縫集體激發(fā)（如 Goldstone 模式）傳遞。研究還表明，盡管 ν?=?0 狀態(tài)表現(xiàn)為電絕緣，但其內(nèi)部可能存在被禁錮的激發(fā)態(tài)。
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).
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).?
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