南京大学&新加坡国立大学Nat Commun:石墨烯在0.002 T磁场下的量子霍尔效应

成果介绍

      石墨烯可通过栅压实现精确的载流子浓度调控，是研究电子相互作用的理想平台。然而，样品不均匀性往往限制了对电子相互作用主导的低浓度区域的探索。因此，提升载流子迁移率对探索基础物性和开发器件应用至关重要。

      近日，南京大学于葛亮教授、王雷教授、王伯根教授、新加坡国立大学教授康斯坦丁•诺沃肖洛夫院士采用由超薄六方氮化硼层间隔的双层石墨烯结构，显著降低了外部不均匀性。层间相互屏蔽作用减少了随机库仑势导致的散射，使量子迁移率突破107 cm²V⁻¹s⁻¹。舒勃尼科夫-德哈斯振荡在低于1 mT的磁场下出现，而整数量子霍尔特征在0.002 T磁场下即可观测。此外，研究在2 T磁场中观测到填充因子𝑣_tot = -10/3处的分数量子霍尔平台。这些结果证明该平台适用于研究石墨烯基异质结构中的强关联电子相。

图文导读

图1：样品设计与基本特性。(a) 样品结构示意图：两层单层石墨烯（MLG）由薄六方氮化硼（hBN）间隔层分隔，并由双层石墨栅极和厚hBN层封装。顶栅电压（V_tg）与底栅电压（V_bg）分别通过石墨电极施加于石墨烯与顶栅/底栅之间。(b) 器件D1在顶栅电压-底栅电压（V_tg - V_bg）空间中的电阻率R_xx分布（采用2L间隔层区域）。红色与绿色虚线分别代表下层与上层石墨烯的电中性点位置。插图展示器件的光学显微图像及电学连接配置，其中I为电流，R_xx与R_xy分别为纵向与横向电阻。红色比例尺对应5 μm。(c) 双层结构迁移率（μ₂）与单层结构迁移率（μ₁）的比值（μ₂/μ₁）随层间距d的变化关系计算曲线，对应单层杂质浓度（n_1L）分别为107 cm⁻²（黑线）、108 cm⁻²（红线）及109 cm⁻²（蓝线）。

图2：器件D5在弱磁场下的量子特性。(a) 横向电阻𝑅_𝑥𝑦随位移场𝐷/𝜀₀与总载流子浓度𝑛_tot的变化关系（𝐵 = 5 mT，𝑇 = 20 mK，其中𝜀₀为真空介电常数）。(b) 纵向电阻𝑅_𝑥x随总浓度与磁场的变化关系。 (c) 横向电阻𝑅_𝑥𝑦在总浓度-磁场空间中的分布（𝐷 = 0 V/nm下的量子霍尔效应测量）。(d)(e)在𝐷 = 0 V/nm条件下，分别从(b)(c)图提取的𝐵 = 2 mT与5 mT时纵向与横向电阻随总浓度的变化曲线。蓝色水平虚线标示总填充因子𝜈_𝑡𝑜𝑡 = ±4、±12、±20对应的平台区域，(e)图中𝜈_𝑡𝑜𝑡 = ±4处呈现完整平台及对应的零纵向电阻特征。(f)纵向电阻在𝑇 = 15 K下随磁场与总浓度的变化分布。黑色虚线对应𝜈_𝑡𝑜𝑡 = ±4填充因子轨迹，绿色虚线表示单层石墨烯中弹道电子的横向磁聚焦效应贡献（回旋半径为1.75 μm）。

图3：器件D5在低磁场下的分数量子霍尔（FQH）效应。(a)纵向电阻𝑅_𝑥𝑥随𝐷/𝜀₀与𝑛_tot的变化关系（𝐵 = 2 T，𝑇 = 15 mK）。(b)纵向电阻与霍尔电阻（𝑅_𝑥𝑥与𝑅_𝑥𝑦）在2 T磁场下随总浓度的变化曲线。(c) 纵向电阻与霍尔电阻（𝑅_𝑥𝑥与𝑅_𝑥𝑦）在3 T磁场下随总浓度的变化曲线。

结论与展望

综上所述，通过在两层石墨烯间插入数层hBN间隔层，可实现来自衬底带电无序势的层间相互屏蔽，从而获得超高质量的样品。在双层石墨烯（DLG）结构中，量子迁移率超过10⁷ cm²V⁻¹s⁻¹，这使得在2 mT磁场下观测到量子霍尔效应（QHE）的起始特征，并在𝐵 = 2 T时观测到分数量子霍尔效应（FQHE）。通过测量确定，在3 T磁场下填充因子𝑣_tot^−10/3对应的FQH态能隙尺寸为0.18 ± 0.01 meV。该数值表明，相较于采用邻近屏蔽方案的器件，本结构对屏蔽效应的敏感度更低。研究结果还显示，hBN间隔层越薄，迁移率提升越显著。同时，由于体材料无序度的降低，边界散射成为主导机制，使得迁移率与沟道宽度呈正比关系。

文献信息

Mayorov, A.S., Wang, P., Yue, X.et al. Quantum Hall effect at 0.002 T in graphene.Nat Commun (2026).

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68695-8

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