科学家在双层石墨烯中检测量子异常霍尔效应

达拉斯德克萨斯大学的科学家与路德维希-马克西米利安大学München分校的同事一起，观察到了一种罕见的现象，称为双层石墨烯中的量子异常霍尔效应。先前的实验只在复杂或精密的材料中检测到它。

量子霍尔效应是一种宏观现象，其中物质中的横向电阻以分步方式通过量化值变化。它发生在低温和强磁场下的二维电子系统中。然而，在没有外部磁场的情况下，二元系统可以自发地产生自己的磁场，例如，通过电子间相互作用产生的轨道铁磁化。这种行为被称为量子异常霍尔效应。

自然科学与数学学院物理学副教授范章博士说：”以前研究过罕见的量子异常霍尔效应时，所研究的材料很复杂。相比之下，我们的材料相当简单，因为它只由两层石墨烯组成，并且是自然产生的。

这项研究的作者、哥廷根大学和慕尼黑路德维希·马克西米利安大学I.物理研究所教授托马斯·魏茨博士说：”此外，我们发现，即使碳不应该是磁性的或铁电的，我们观察到的实验特征与两者一致，这非常违背直觉。

在2011年发表的研究中，理论物理学家张先生预测双层石墨烯将具有五种相互竞争的地面状态，即在接近绝对零度（零下273.15摄氏度或零下459.67华氏度）的温度下发生的材料最稳定的状态。这种状态是由电子的相互相互作用驱动的，电子的行为受量子力学和量子统计的支配。

“我们预测，在双层石墨烯中，将有五个州相互竞争，成为地面州。过去曾观察到过四个。这是最后一次，也是最具挑战性的观察，”张说。

在研究描述的实验中，研究人员发现了这第五家族中同时表现出量子异常霍尔效应、铁磁性和铁电的八种不同的地状状态。

魏茨说：”我们还表明，我们可以通过应用小型外部电场和磁场以及控制充电载体的标志，在这个八角形的地面状态中做出选择。

“以前研究过罕见的量子异常霍尔效应时，所研究的材料很复杂。相比之下，我们的材料相当简单，因为它只是由两层石墨烯组成，并且是自然发生的。

能够如此高度地控制双层石墨烯的电子特性，可能使它成为未来低耗量子信息应用的潜在候选者，尽管张和魏茨表示，他们主要感兴趣的是揭示”基础物理学之美”。

“我们预测、观察、阐明和控制了量子异常霍尔八角形，其中三个惊人的量子现象——铁电和零场量子霍尔效应可以共存，甚至在双层石墨烯中合作，”张说。”现在我们知道，我们可以统一铁磁，铁电和量子异常霍尔效应在这个简单的材料，这是惊人的和前所未有的。