《石墨超量子極限外相變的載流子濃度調控研究》是依託華中科技大學，由朱增偉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：石墨超量子極限外相變的載流子濃度調控研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：朱增偉
- 依託單位：華中科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
二維電子氣在磁場下會發生量子霍爾效應和分數量子霍爾效應。但三維電子在最後一個朗道能級上（量子極限以外）由於超強磁場束縛電子與電子的相互作用而導致的相變問題卻一直沒有明確的答案。本研究將以石墨作為研究對象，進行超強磁場下的研究。低溫下，量子極限在7.35T的石墨在22T以外發現相變進入高磁阻，。並在53T左右又回到低磁阻態，最近又在75T左右發現額外的相變。以往的解釋認為22T這個相變是由於電子向上的電子嵌套形成。本人最近的研究發現這個解釋是需要修改的。為了更深入了解這些相變，本研究將會通過各種載流子調控手段：壓力、層厚的改變的介觀石墨gate調節、輻射引入離子缺陷、以及離子束刻蝕製作的微米級樣品等等手段再結合轉角的實驗進行研究來了解這些相變。從而得到這些相變的本質原因，為三維電子在超強磁場可能發生的相變提供實驗依據。
結題摘要
三維電子氣在強磁場下的行為，一直是凝聚態物理研究的焦點，特別是在二維電子氣中發現了量子霍爾效應和分數量子霍爾效應之後，引起了人們的極大關注。石墨作為典型的半金屬，具有較低的載流子濃度，約7.5T 就能讓系統達到量子極限，是研究三維電子氣在磁場下行為的絕佳選擇。自上世紀80年代初，Tanuma等人在低溫下磁場約22T的時候發現石墨的磁阻急劇增加（場致相變），隨後人們又陸續發現了多個場致相變。雖然至今已近40年，人們對相變背後的物理機制一直莫衷一是，先後提出了多種密度波態、激子絕緣體態等解釋。我們通過電輸運手段，研究了不同溫度下石墨在高達90T磁場下面內和面間的磁阻,發現了除A相（25T-53T）和B相（53T–75T）外的新相：C 相（>75T），並發現相變可延伸至35K的高溫，同時給出了溫度依賴的相圖。另外，我們也研究了不同磁場方向的磁阻，得到了部分相變磁場的角度依賴關係，證明相變和相變以及相變滿足餘弦關係，即此類相變是石墨面間的行為；而A相內的相變和’相變有相似的角度依賴的關係，但不滿足餘弦關係。A相外的相變與低場量子振盪的角度依賴關係相似。同時，我們還研究了石墨在強磁場下的能斯特效應。由能斯特給出的相變、’相變和相變與磁阻的結果一致，且相變較磁阻的結果更明顯；A相內的能斯特信號表現異常，首先出現高台，隨著溫度的降低，高台逐漸變平，最後變成谷。由上，我們得出結論：A相和B相為自旋相反的電子和空穴配對形成的激子絕緣體態；A相內的能斯特信號表現異常是由激子絕緣體的漲落造成的；相變是由朗道能級（0e+和-1h-）穿越費米面造成，'相變是朗道能級（0e+和-1h-）穿越費米面引起激子絕緣體態破壞的結果，相變可能是由自旋的量子漲落引起的激子絕緣體破壞的結果。我們的研究揭示了石墨中場致相變的本質為激子絕緣體態的產生和消失，為三維電子氣在強磁場下的行為，提供了直接的實驗案例和和可能的理論模型。
