魯汶大學NAPS/IMCN實驗室的B. Hackens團隊與亞琛工業大學的C. Stampfer團隊合作，揭示了石墨烯中“量子霍爾效應”的新的詳細顯微圖片。這一突破之所以成為可能，要歸功于Nicolas Moreau（博士生，由FRIA獎學金資助）獲得的實驗數據，使用自制的“掃描門顯微鏡”能夠在石墨烯器件內的納米尺度上對電荷載流子的行為進行成像。
傳統上，當垂直于載流導體施加磁場時，電荷會偏向導體的邊緣，然后導致橫向電壓的出現：霍爾電壓。當電荷被限制在一層非常薄的導電材料（最終，像石墨烯這樣的一個原子厚的導體）中，并且在低溫和高磁場下測量霍爾電壓時，可以達到霍爾效應的量子版本。在這種情況下，電荷在材料邊緣傳播的通道是完美的一維“邊緣態”，由于樣品內部存在絕緣區域，電荷反向散射被禁止（邊緣態被稱為“拓撲保護”），霍爾電壓被量化。測量確實表明，將電流除以霍爾電壓會產生通用常數e2/h的整數倍，其中e是電子電荷，h是普朗克常數。出于這個原因，量子霍爾效應成為計量學的核心工具，既可以測量基本常數，又可以在所有計量機構中設計極其精確的電阻標準。
原則上，石墨烯中的量子霍爾效應本質上比其他二維系統更強大：在這種材料中甚至在室溫下也觀察到了這種效應。然而，最近的觀察表明，石墨烯中量子霍爾效應的常規圖片并不能解釋所有的觀察結果。例如，即使樣品內部不絕緣，也可以測量量子霍爾特征。Nicolas Moreau獲得的圖像顯示，在這種情況下電荷反向散射的“熱點”可以在石墨烯器件的所有邊緣找到。這種實驗觀察可以在量子霍爾效應的新顯微圖片的框架中進行解釋，其中量子霍爾通道不是位于樣品的相對邊緣，而是沿著相同的樣品邊緣以相反的方向傳播。觀察到的熱點對應于具有離散能級集的缺陷的位置。在這些缺陷的位置，電荷可以通過可用的空能級在反向傳播的邊緣狀態之間形成隧道。
這種新機制就是石墨烯量子霍爾效應的“致命點”。幸運的是，它是可以避免的：反向傳播邊緣狀態的存在與靜電有關，并且可以調整設備設計來克服這個問題。除了提供對這種基本量子效應的新理解之外，這項工作因此構成了朝著石墨烯中量子霍爾標準的穩健設計邁出的重要一步。
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Figure. （a）一種研究樣品的示意圖。
石墨烯由兩層絕緣六方氮化硼（藍色）保護，并定義了收縮形狀。四個金屬觸點（金）用于測量設備的電阻Rxx。背柵允許調整石墨烯電荷載流子密度。最后，尖銳的金屬尖端由電壓V尖端偏置，用于發現在量子霍爾機制中電荷載流子的反向散射發生的位置。（b）樣本邊緣的能量景觀示意圖（a 中的橙色區域，紅色邊框）。在高磁場下，能量被量化（遵循潛在景觀的藍色層）并且一維邊緣通道出現在這些水平與費米能量 EF（電化學勢能）交叉的地方。在這里，反向傳播的邊緣通道沿著相同的邊緣（藍色和紅色）流動，并且它們之間會出現一個反點（環），從而觸發電荷載流子反向散射。
摘自《The Graphene Council》網站
