石墨烯，這種由單層碳原子構成的二維材料，因其卓越的電學、力學和熱學性質而引起了廣泛關注。近年來，隨著量子霍爾效應和拓撲相的深入研究，石墨烯在前沿科學領域的應用潛力日益凸顯。在極高磁場和低溫條件下，石墨烯的 ν = 0 量子霍爾狀態表現出獨特的絕緣特性，盡管其物理機制尚不完全明確，尤其是與自旋和谷極化相關的特性仍存在爭議。
近期，來自法國巴黎薩克雷大學和印度班加羅爾科學院的研究團隊分別在《Nature Physics》上發表了兩篇重要論文，探討了單層和雙層石墨烯在 ν = 0 狀態下的熱導特性。這些研究不僅挑戰了傳統理論預測，還揭示了復雜的自旋和集體激發現象，為進一步理解石墨烯在量子器件中的應用提供了新視角。
石墨烯是一種由碳原子構成的二維材料，因其優異的導電性、力學強度和熱導率，被廣泛應用于電子器件、能量存儲和傳感等領域。與傳統的半導體材料相比，石墨烯在極高磁場和低溫條件下呈現出獨特的絕緣態，這使其在量子計算、低功耗電子器件等前沿領域具有極大潛力。然而，由于未摻雜石墨烯本身是無能隙半導體，在極端條件下生成的 ν = 0 絕緣態的物理機制依然不完全明確，尤其是其基態自旋和谷極化的特性還存在爭議。因此，如何深入理解和控制石墨烯的 ν = 0 量子霍爾絕緣態成為一大挑戰。
近日，來自法國巴黎薩克雷大學F. D. Parmentier課題組在石墨烯 ν = 0 量子霍爾狀態研究中取得了新進展。該團隊通過精密設計并制造出特定的熱傳導測量裝置，成功探測了單層石墨烯在 ν = 0 狀態下的熱傳輸特性。在高磁場和低溫條件下，他們觀測到石墨烯的體熱傳導趨于零，與此前理論預測的 ν = 0 基態在極低溫下應具有限熱導率的結果相矛盾。
利用此熱傳導測量技術，該團隊顯著推進了對石墨烯 ν = 0 狀態中無電荷集體模式的理解。研究結果表明，CAF 和 KD 基態具有無能隙集體模式，理論上應表現為有限熱導，而實驗中觀察到的熱導消失現象暗示可能存在更復雜的自旋和谷相互作用。該成果為進一步揭示石墨烯 ν = 0 量子霍爾狀態的微觀機制提供了新視角，對理解石墨烯及其在量子器件中的應用具有重要意義。
（1）本實驗首次在高垂直磁場和低溫條件下，觀察到單層石墨烯在 ν = 0 狀態下的體熱傳導完全消失。這一發現與現有理論對 ν = 0 基態的預測相悖，理論預測 ν = 0 基態即使在低溫下也應表現出有限的熱導率。
（2）實驗通過測量不同基態的熱傳輸性質，發現體熱傳導的消失可能與自旋和亞晶格極化態的相互作用有關。在此基礎上，實驗揭示了 ν = 0 的 CAF、FSP 和 KD 等候選基態中，CAF 和 KD 相的集體模式應當具有無能隙性質，從而在極低溫下也應具有有限熱導；而 F 和 FSP 基態則應表現為絕緣態，集體模式有能隙。
雙層石墨烯（BLG）是由兩層石墨烯以特定方式堆疊而成的材料，因其在量子霍爾（QH）效應、拓撲相和自旋電子學等領域的潛在應用而受到廣泛關注。與傳統的半導體材料相比，雙層石墨烯具有優異的電導性、可調性和獨特的電子結構等優點。然而，BLG 的 ν?=?0 狀態在電學測量中表現為電絕緣，這使得通過傳統的電導測量方法來識別其競爭相成為一個挑戰，因此帶來了理論與實驗之間的矛盾。
近日，印度班加羅爾科學院Anindya Das研究小組在雙層石墨烯的熱輸運研究中取得了新進展。他們設計并制備了一個雙門石墨烯器件，通過變換外部電場和溫度，成功測量了 ν?=?0 狀態的熱導率。研究表明，在 ν?=?0 狀態下，熱導率幾乎為零，這與理論預期的有限熱導率相悖。這一發現暗示 ν?=?0 狀態中存在間隙的集體激發，提供了對自旋和層間自由度競爭相的深入理解。
利用約 20 mK 的極低溫度，研究團隊克服了在量子霍爾狀態下進行熱導率測量的技術挑戰，采用約翰遜-尼奎斯特噪聲來確定熱源的溫度。這一創新方法不僅顯著提高了對 ν?=?0 狀態熱輸運的測量能力，還為后續的研究奠定了基礎。研究結果揭示了 ν?=?0 狀態的熱輸運特性，有助于進一步探索 BLG 中自發對稱性破缺的機制和競爭相的性質，為發展新型電子器件和量子材料提供了重要的理論和實驗依據。
圖 2：BLG 的 ν?=?0 基態、器件示意圖和測量裝置。
（1）實驗首次對雙層石墨烯（BLG）中的 ν?=?0 狀態進行熱輸運測量，得到了在該狀態下熱導率消失的結果。這與理論預測的 ν?=?0 狀態應具有有限熱導率的觀點形成鮮明對比。
（2）實驗通過在不同外電場下進行溫度依賴測量，發現 ν?=?0 狀態存在能隙集體激發。這表明在 ν?=?0 狀態下，熱流無法通過理論上預期的無縫集體激發（如 Goldstone 模式）傳遞。研究還表明，盡管 ν?=?0 狀態表現為電絕緣，但其內部可能存在被禁錮的激發態。
1. Delagrange, R., Garg, M., Le Breton, G. et al. Vanishing bulk heat flow in the ν = 0 quantum Hall ferromagnet in monolayer graphene. Nat. Phys. (2024).
2. Kumar, R., Srivastav, S.K., Roy, U. et al. Absence of heat flow in ν?=?0 quantum Hall ferromagnet in bilayer graphene. Nat. Phys. (2024).?
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