分数量子霍尔效应的中性模式已被证明可以与分数带电的对应物交换能量，但目前尚不清楚它们是否与附近的整数量子霍尔边缘通道交换能量。SPEC纳米电子学小组的研究人员与C2N（法国帕莱索）和NIMS（日本筑波）的团队合作，在石墨烯中进行了热传递实验，回答了这个问题。通过控制边缘的静电，他们观察到分数量子霍尔状态下热导的最大抑制，这是整数边缘通道和中性模式之间能量交换的明显特征。这项工作确定了量子霍尔制度中未来量子电路的一个关键问题。
分数量子霍尔效应是凝聚态物理学中最有趣的现象之一，其中二维电子气体在受到强磁场作用下的电子相互作用导致具有高度不寻常性质的高度奇异状态的出现。其中，中性边缘模式的存在，仅沿样品边缘沿沿电荷传输方向上游的能量携带，推动了三十多年的研究。它们的电荷中性使它们非常难以探测，以至于它们在2010年才首次被观察到。从那时起，许多工作已经解决了中性模式的热传输特性，特别是它们是否与相邻的反传播带电边缘模式交换能量。最近在这个主题上取得了重大进展，但一个重要的问题仍然没有答案：上游中性模式能否交换能量并与距离它们几百纳米的整数带电边缘模式进行热化？这个问题远非微不足道，因为它可以深刻地改变我们从独立传输通道的角度对量子霍尔效应的理解，并影响未来寻求探索和利用分数量子霍尔态的非凡性质的实验的实现。
量子霍尔效应的ν=8/3态的边缘结构。红色粗箭头表示两种带整数电荷的边缘模式，红色细箭头表示带小数电荷的边缘模式，蓝色虚线箭头表示中性模式。每种模式的电导率在右侧给出。
为了解决这个问题，我们通过测量在非常低的温度和强磁场下沿样品边缘携带的热流，在高质量的石墨烯样品中进行了热传递测量。在量子霍尔状态下，边缘热流被量化，通常反映沿边缘流动的弹道整数和分数边缘模式的总数。上游中性模式和下游带电模式之间的热交换会减少边缘热流：如果所有模式都完全热化，则热流达到由上游和下游模式数量之间的差异给出的量化值。重要的是，如果这两个数字相同，则热交换预计将在非常大的长度上进行，并且基本上可以忽略不计。
在C2N下制备的样品的光学显微照片，指示实验的布线。石墨烯片以绿色突出显示。
我们专注于分数量子霍尔效应的填充因子ν= 8/3，其边缘结构包括两种带整数的下游模式，一种带分数电荷的下游模式和一种上游中性模式。如果后者不与整数模式交换能量，我们希望测量4个独立弹道的等效量子化热流。相反，如果中性模式使用整数模式完全热化，则可有效抑制相当于单个弹道的等效物;因此，热流被量子化为相当于2个弹道通道。
我们的结果表明，在改变石墨烯样品的边缘静电时，我们能够有效地将中性模式耦合到整数模式。这导致观察到从具有4通道量子化热流的非平衡状态过渡到具有减少的2通道量化热流的完全平衡状态。
在 ν=8/3 时作为温度的函数测量的量化热流。非平衡情况显示为深红色圆圈，平衡情况显示为紫色圆圈。直线是4通道和2通道量化热流的理论预测。这两幅漫画说明了边缘模式之间的耦合。
这项工作不仅为分数和整数量子霍尔边缘模式之间的能量交换提供了明确的答案，而且还强调了边缘静电在量子霍尔效应中的核心重要性。
摘自《The Graphene Council》网站
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