Многослойный графен проявил трансмерный аномальный эффект Холла

Физики из Китая, Японии, Сингапура и США обнаружили в ромбоэдрическом многослойном графене новый тип аномального эффекта Холла — трансмерный аномальный эффект Холла. Он возникал только в образцах промежуточной толщины от двух до пяти нанометров и сопровождался гистерезисом холловского сопротивления как во внешнем магнитном поле, направленном перпендикулярно плоскости образца, так и в поле, направленном вдоль нее. Результаты опубликованы в Nature.  

В обычном эффекте Холла ток, текущий через проводник в магнитном поле, отклоняется силой Лоренца, и на противоположных краях образца возникает поперечное напряжение. Аномальный эффект Холла устроен иначе: он может возникать и без внешнего магнитного поля, если в материале нарушена симметрия обращения времени. Обычно это связано с магнитным порядком и орбитальным движением электронов, а в двумерных системах — с орбитальной намагниченностью, направленной из плоскости образца. До сих пор все наблюдавшиеся варианты аномального и квантового аномального эффекта Холла подчинялись одному геометрическому правилу: направление орбитальной намагниченности, направление тока и направление поперечного электрического поля были взаимно перпендикулярны. Поэтому даже в трехмерных материалах эффект обычно можно было рассматривать как усредненный по толщине двумерный случай.

Физики под руководством Лэй Вана (Lei Wang) из Нанкинского университета предложили рассматривать аномальный эффект Холла еще и с точки зрения размерности и обнаружили его новый тип. В двумерном пределе электронные орбиты лежат в плоскости материала, а в достаточно толстом трехмерном образце когерентное движение между слоями разрушается рассеянием. Ученые предположили что между этими случаями может существовать промежуточный, трансмерный режим — когда толщина материала уже существенно больше расстояния между атомными слоями, но все еще сравнима с длиной когерентного переноса поперек слоев. В таком режиме электроны могут сохранять когерентное орбитальное движение и в плоскости, и между слоями.

Авторы работы изготовили двухзатворные холловские структуры из ромбоэдрического графена, заключенного между слоями гексагонального нитрида бора. Основные измерения они провели на девятислойном образце толщиной около трех нанометров при температурах порядка 15–20 милликельвин. С помощью верхнего и нижнего графитовых затворов исследователи независимо меняли концентрацию носителей и электрическое поле смещения, которое перестраивало зонную структуру материала.

В области малой электронной концентрации и большого поля смещения физики нашли необычную металлическую фазу. В ней холловское сопротивление показывало выраженный гистерезис не только при развертке перпендикулярного магнитного поля, как ожидается для обычной орбитальной намагниченности из плоскости, но и при развертке магнитного поля в плоскости образца. При нагреве гистерезис, связанный с намагниченностью в плоскости, исчезал примерно при 1,6 кельвина. Для перпендикулярной намагниченности характерная температура оказалась выше — около четырех кельвин, что указало на разные механизмы двух компонент магнитного порядка.

Авторы проверили, что сигнал в параллельном поле не связан с небольшой ошибкой выравнивания образца, из-за которой в эксперимент могло бы попасть остаточное перпендикулярное поле. Для этого они откалибровали наклон образца в векторном магните и компенсировали паразитную компоненту поля во время развертки. Кроме того, если бы гистерезис в параллельном поле был артефактом, его температурная зависимость должна была бы совпасть с гистерезисом в перпендикулярном поле, чего в эксперименте не произошло.

Чтобы проверить роль толщины, исследователи измерили несколько образцов ромбоэдрического графена от трех до 15 слоев. Трансмерный аномальный эффект Холла не возникал в самых тонких образцах, устойчиво наблюдался в образцах промежуточной толщины, а в образце толщиной около пяти нанометров становился слабым. Это согласуется с оценкой поперечной длины когерентного переноса порядка нескольких нанометров.

Таким образом, физики экспериментально выделили промежуточный режим между двумерным и трехмерным переносом, в котором орбитальное движение электронов может приводить к новому типу аномального эффекта Холла.

Ранее мы рассказывали, как аномальный эффект Холла обнаружили в трехслойном скрученном графене.