分數量子霍爾效應的中性模式已被證明可以與分數帶電的對應物交換能量，但目前尚不清楚它們是否與附近的整數量子霍爾邊緣通道交換能量。SPEC納米電子學小組的研究人員與C2N（法國帕萊索）和NIMS（日本筑波）的團隊合作，在石墨烯中進行了熱傳遞實驗，回答了這個問題。通過控制邊緣的靜電，他們觀察到分數量子霍爾狀態下熱導的最大抑制，這是整數邊緣通道和中性模式之間能量交換的明顯特征。這項工作確定了量子霍爾制度中未來量子電路的一個關鍵問題。
分數量子霍爾效應是凝聚態物理學中最有趣的現象之一，其中二維電子氣體在受到強磁場作用下的電子相互作用導致具有高度不尋常性質的高度奇異狀態的出現。其中，中性邊緣模式的存在，僅沿樣品邊緣沿沿電荷傳輸方向上游的能量攜帶，推動了三十多年的研究。它們的電荷中性使它們非常難以探測，以至于它們在2010年才首次被觀察到。從那時起，許多工作已經解決了中性模式的熱傳輸特性，特別是它們是否與相鄰的反傳播帶電邊緣模式交換能量。最近在這個主題上取得了重大進展，但一個重要的問題仍然沒有答案：上游中性模式能否交換能量并與距離它們幾百納米的整數帶電邊緣模式進行熱化？這個問題遠非微不足道，因為它可以深刻地改變我們從獨立傳輸通道的角度對量子霍爾效應的理解，并影響未來尋求探索和利用分數量子霍爾態的非凡性質的實驗的實現。
量子霍爾效應的ν=8/3態的邊緣結構。紅色粗箭頭表示兩種帶整數電荷的邊緣模式，紅色細箭頭表示帶小數電荷的邊緣模式，藍色虛線箭頭表示中性模式。每種模式的電導率在右側給出。
為了解決這個問題，我們通過測量在非常低的溫度和強磁場下沿樣品邊緣攜帶的熱流，在高質量的石墨烯樣品中進行了熱傳遞測量。在量子霍爾狀態下，邊緣熱流被量化，通常反映沿邊緣流動的彈道整數和分數邊緣模式的總數。上游中性模式和下游帶電模式之間的熱交換會減少邊緣熱流：如果所有模式都完全熱化，則熱流達到由上游和下游模式數量之間的差異給出的量化值。重要的是，如果這兩個數字相同，則熱交換預計將在非常大的長度上進行，并且基本上可以忽略不計。
在C2N下制備的樣品的光學顯微照片，指示實驗的布線。石墨烯片以綠色突出顯示。
我們專注于分數量子霍爾效應的填充因子ν= 8/3，其邊緣結構包括兩種帶整數的下游模式，一種帶分數電荷的下游模式和一種上游中性模式。如果后者不與整數模式交換能量，我們希望測量4個獨立彈道的等效量子化熱流。相反，如果中性模式使用整數模式完全熱化，則可有效抑制相當于單個彈道的等效物;因此，熱流被量子化為相當于2個彈道通道。
我們的結果表明，在改變石墨烯樣品的邊緣靜電時，我們能夠有效地將中性模式耦合到整數模式。這導致觀察到從具有4通道量子化熱流的非平衡狀態過渡到具有減少的2通道量化熱流的完全平衡狀態。
在 ν=8/3 時作為溫度的函數測量的量化熱流。非平衡情況顯示為深紅色圓圈，平衡情況顯示為紫色圓圈。直線是4通道和2通道量化熱流的理論預測。這兩幅漫畫說明了邊緣模式之間的耦合。
這項工作不僅為分數和整數量子霍爾邊緣模式之間的能量交換提供了明確的答案，而且還強調了邊緣靜電在量子霍爾效應中的核心重要性。
摘自《The Graphene Council》網站
