近日🔒，我校物理學系張遠波教授課題組與科大陳仙輝等課題組合作在黑磷器件的質量上取得突破，並首次在高遷移率的黑磷器件中觀測到了量子霍爾效應🧗🏿♂️，相關學術論文“Quantum Hall Effect in Black Phosphorus Two-dimensional Electron System”在《自然•納米技術》（Nature Nanotechnology）上發表。這一發現使黑磷成為了屈指可數的可用於研究量子輸運現象的材料體系之一，為進一步研究黑磷中的新奇量子物理現象奠定了基礎。万达平台物理系博士生李力愷和楊昉原分別為論文第一和第二作者。
何為量子霍爾效應🤦🏼？
量子霍爾效應是現代凝聚態物理學的一個重要發現👨🏽🌾，最早在80年代被發現。在低溫和強磁場下，二維電子氣的電子結構呈現出一系列的分立能級🖐🏻，這被稱作朗道能級；當費米面處在朗道能級中的間隙時，二維電子氣的中間部分不再導電，而是在邊緣形成量子化的一維導電通道👩⚕️。在這樣的情況下🧑🏻🦯，二維電子氣的霍爾電阻不再隨著磁場或載流子密度線性變化🧲，而呈現出精確量子化的分立值，這即是量子霍爾效應。
量子霍爾效應的發現具有重大的意義：其本身精確量子化的霍爾電阻是物理學中的重要常數，是電阻的計量標準，並可以由它獨立得到精細結構常數；量子霍爾效應為後續的一系列物理概念奠定了了基礎🏋🏻，例如分數量子霍爾效應；更重要的是，不同材料中的量子霍爾效應都有其各自奇特的地方，往往帶來新的物理發現🪝。
難點：提高黑磷樣品質量
實際實驗中👇，量子霍爾效應的實現需要極高的樣品質量，這使得量子霍爾效應只在少數的幾種材料系統中被觀測到。據李力愷介紹，黑磷是一種新興的層狀半導體材料，它的電子結構具有一系列的獨特性質🕴🏻，例如帶隙隨可隨樣品層數變化🆓，電子結構的各向異性👩🏿🏭，以及很大的電子有效質量等。這些性質使得黑磷二維電子氣中的量子霍爾效應具有重要的研究價值。但實際中，受製於界面雜質及缺陷的影響，黑磷二維電子氣的載流子遷移率遠遠低於晶體塊材，這使得黑磷中的量子霍爾效應難以實現。
“如何提高黑磷樣品表面質量是我們本次研究的難點之一，”李力愷解釋說🏭⏏️，在他們的研究中，利用有機薄膜轉移的方法🙎🏽♀️，將石墨，氮化硼和黑磷的薄層依次疊加在襯底上形成異質結結構👨🏼🔬，這一結構利用了石墨的導體性質，靜電屏蔽了來自於襯底和界面上電荷雜質的散射作用，同時結合了石墨和氮化硼的層狀性質🛳🪢，獲得了原子級平整的樣品界面🏛，從而在黑磷二維電子氣中實現了極高了載流子遷移率🦹🏻。
在這樣的高質量二維電子氣中，他們首次實現了黑磷中的量子霍爾效應。這一發現使黑磷成為了為數不多的可用於研究量子輸運現象的體系。在此基礎上🏬，課題組進一步研究了黑磷中電子自旋劈裂能隙隨溫度以及磁場的變化，發現黑磷中電子自旋劈裂能量與朗道能級間隙相當，並且在較低的載流子密度下電子自旋劈裂能量被進一步增強🪑。這一發現預示了黑磷當中具有很強的電子相互作用，為進一步研究黑磷中的新奇物理現象奠定了基礎。
過程：“記不清多少次實驗”
其實早從2011年開始♔，張遠波課題組就開始對黑磷進行研究，一直在不斷嘗試各種方法提高黑磷樣品界面的質量🪀，並已經發表了兩篇學術論文👨🏻⚖️，這次的黑磷量子霍爾效應研究也是基於之前研究的成果進一步得出的。
“去年1月份，我們的主要數據是在美國強磁場國家實驗室完成的，在那之前，我們需要在國內把所有的樣品做好，我們花費了大量時間去想辦法做出高質量的樣品😴。” 據李力愷介紹🏝，本次研究的參加者共有14名，研究歷時1年左右🙋♀️。“在結果出來之前，我們都不知道會怎麽樣🛢，”李力愷坦言🦸🏼♂️，他們實驗的目標是提高樣品質量，但是在最終數據出來之前，他們在實驗過程中並不知道采取的方法和手段能否真的提高樣品的質量，其實是“摸著石頭過河”。
同時，課題組還在努力進一步地提高黑磷樣品質量，希望能對此項研究進行更深入的探索。