Ułamkowy kwantowy efekt Halla w grafenie

Fizycy z USA oraz Niemiec odkryli kolejną zaskakującą właściwość grafenu – ułamkowy kwantowy efekt Halla. Zjawisko to znacznie różni się od tego, które obserwuje się w tradycyjnych materiałach. Odkrycie to może okazać się bardzo pomocne w badaniu korelacji pomiędzy cząstkami relatywistycznymi a nawet może przyczynić się do rozwoju komputerów kwantowych.

Ułamkowy kwantowy efekt Halla – opis zjawiska

Ułamkowy kwantowy efekt Halla (ang. fractional quantum Hall effect) to zjawisko fizyczne występujące wtedy, gdy ruch nośników ładunku (np. elektronów) ograniczony jest do dwóch wymiarów przestrzennych (czyli tak jak w grafenie) oraz dodatkowo podlega działaniu zewnętrznego pola magnetycznego przyłożonego w kierunku osi Z, tj. w kierunku prostopadłym do ruchu tychże nośników. Jeżeli prąd przepływa wzdłuż osi X, napięcie Halla pojawia się w kierunku Y. W bardzo niskich temperaturach napięcie Halla przyjmuje skwantowane wartości.

Pojawienie się ułamkowego kwantowego efektu Halla jest wynikiem silnych oddziaływań występujących pomiędzy elektronami w określonym materiale. Oddziaływania te sprawiają, że nośniki ładunku zachowują się jak kwazicząstki posiadające ładunek równy ułamkowi ładunku pojedynczego elektronu. Oprócz ułamkowego kwantowego efektu Halla oddziaływania te prowadzą często do występowania takich zjawisk kolektywnych jak nadprzewodnictwo, czy nadciekłość, dlatego też zrozumienie własności silnych oddziaływań jest bardzo istotne z punktu widzenia fizyków zajmujących się materią skondensowaną.

Liczne badania przeprowadzone na próbkach grafenu wykazały, że elektrony w grafenie poruszają się z bardzo dużymi prędkościami, zachowując się jak relatywistyczne cząstki nie posiadające masy spoczynkowej. Niedawno udowodniono również, że nośniki te silnie oddziaływują pomiędzy sobą i na tej podstawie przyjęto założenie, że manifestacją tego zjawiska powinno być pojawienie się w grafenie ułamkowego kwantowego efektu Halla.

Ułamkowy kwantowy efekt Halla w grafenie

Amir Yacoby wraz ze współpracownikami z Harvard University oraz Max-Planck Institute for Solid State Physics wykazali, że zjawisko ułamkowego kwantowego efektu Halla rzeczywiście zachodzi w grafenie oraz, że efekt ten znacznie różni się od tego, jaki obserwuje się w tradycyjnych materiałach. „Odkryliśmy niespotykaną jak dotąd sekwencję ułamkowych kwantowych stanów Halla w grafenie, będących konsekwencją symetrii grafenu”, powiedział Yacoby. „Stany te dostarczają informacji na temat wzajemnego oddziaływania występującego pomiędzy symetrią grafenu a występującymi w nim oddziaływaniami elektron – elektron”.

Wyniki te uzyskano przy użyciu mikroskopu bazującego na jednoelektronowym tranzystorze SET (ang. single-electron transistor), który skanował badaną próbkę grafenu umieszczoną w zewnętrznym polu magnetycznym (zobacz: zdjęcie). Tranzystor SET to specjalny rodzaj lokalnej sondy, nie powodującej uszkodzenia badanego materiału. Sonda ta dokonuje pomiarów obecności przerw energetycznych w widmie elektronowym materiału, dzięki czemu idealnie nadaje się do wykrywania zjawiska ułamkowego kwantowego efektu Halla.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com