在探索量子輸運現象時，二維系統的電子質量至關重要。在半導體異質結構中，經過數十年的優化，已經獲得了創紀錄質量的二維氣體，其輸運和量子遷移率分別接近108和106 cm2 V−1 s−1。盡管石墨烯器件的質量也在不斷提高，但相比之下仍然較低。本研究通過采用與石墨烯緊密相鄰（間距1 nm）的石墨柵極， 實現了石墨烯電子質量的變革性提升。由此產生的屏蔽效應將電荷不均勻性降低了兩個數量級，降至每平方厘米幾個107個電荷，并將電位波動限制在1 meV以下。量子遷移率達到107 cm2 V−1 s−1，比最高質量的半導體異質結構高出一個數量級，輸運遷移率也達到了創紀錄水平。這種質量使得在低至1 mT的磁場中就能觀察到舒布尼科夫-德哈斯振蕩，在低于5 mT的磁場中就能觀察到量子霍爾平臺。盡管鄰近屏蔽可預測地抑制了電子-電子相互作用，但與未屏蔽器件相比，分數量子霍爾態仍然可見，其能隙僅減少了3-5倍，這表明在短于10 nm的空間尺度上的多體現象仍然穩健。我們的研究結果為提高石墨烯和其他二維系統的電子質量提供了可靠途徑，這將有助于探索以前因無序而模糊的新物理現象。
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圖1 | 鄰近篩選對電荷均勻性的深遠影響
a，ρxx（n）特性為遠程石墨門設備（紅色曲線）和我們的鄰近門設備（藍色，設備S1）;
B＝0和T≈2K。雖然這些曲線可能看起來像是文獻中的許多曲線，但藍色曲線
比任何之前報道的設備都要窄大約100倍。藍色曲線達到約100千歐
但為清晰起見而被切斷。左插圖，鄰近門設備的示意圖。右插圖，說明如何評估δn。
b，鄰近門設備和遠程門設備（按顏色編碼）的δn溫度依賴性。
黑色拋物線表示δn的預期值對于完美的石墨烯。紅色曲線是殘留不均勻性和熱激發18的預期組合效應。藍色圓圈表示低T
區域受方法中討論的金屬-絕緣體轉變的影響。插圖，鄰近門設備的光學顯微照片。白色虛線標出石墨門的位置。比例尺，10微米。
解析：
這段文字是科學論文中的一部分，描述的是使用鄰近門（Proximity Gating）技術來提高石墨烯電子質量的實驗結果。圖1展示了使用鄰近門技術（鄰近石墨門）與遠程石墨門（Remote Gating）設備在電阻率ρxx隨載流子密度n變化時的對比。通過鄰近門技術，可以得到一個100倍更窄的ρxx曲線，表明電荷的均勻性得到了顯著提高。同時，還展示了δn（電荷不均勻性）隨溫度的變化，說明鄰近門技術可以有效地減少電荷不均勻性。圖1還包含了一些插圖，用于解釋鄰近門技術的示意圖和光學顯微照片，展示了鄰近門設備的微觀結構。
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圖2 | 近距屏蔽石墨烯中的彈道輸運
a，電導率和平均自由程（分別為黑色和紅色曲線）。藍色虛線表示由邊緣散射限制的輸運所預期的n1/2依賴關系（最佳擬合得出?≈9µm）。紅色直線表示實際器件寬度約為8.5µm。
b，通過磁聚焦探測彈道輸運。左圖，聚焦電阻R21,34(n, B)＝V34/I21的映射圖（藍到紅尺度，-5Ω至5Ω）。電流I21在接觸點2和1之間驅動，如插圖所示。電壓V34在接觸點3和4之間測量。L≈13.5µm。黑色虛線表示前兩個聚焦峰的預期位置（對應的軌跡如插圖所示）。右圖，在映射圖中標記的固定n處的垂直切割，由彩色虛線標出。
c，彎曲電阻測量的示例。插圖，測量幾何形狀（左）和器件的光學顯微鏡圖像（右）。色圖顯示R61,42（色標與b相同）。虛線是W＝Dc/2的條件，預計在此條件下彎曲電阻會反轉其符號。a中的數據來自器件S4，在2K下測量。b和c中的數據來自器件S6（在20K下測量以抑制介觀效應）。比例尺，10µm。
解析
這段文字和圖表描述了近距屏蔽石墨烯中的彈道輸運現象，主要通過三個部分進行展示：
電導率和平均自由程（圖2a）：
圖表展示了石墨烯器件的電導率（黑色曲線）和平均自由程（紅色曲線）隨載流子密度n的變化關系。
藍色虛線表示如果輸運主要由邊緣散射限制，電導率應如何隨n1/2變化。最佳擬合得出平均自由程?約為9µm。
紅色直線表示器件的實際寬度約為8.5µm，這有助于理解邊緣散射對輸運的影響。
磁聚焦探測彈道輸運（圖2b）：
左圖展示了聚焦電阻R21,34(n, B)隨載流子密度n和磁場B的變化映射圖。
電流I21在接觸點2和1之間驅動，電壓V34在接觸點3和4之間測量。
黑色虛線表示前兩個聚焦峰的預期位置，這些峰對應于電荷載流子在磁場中的特定軌跡。
右圖展示了在固定n值處的垂直切割，顯示了聚焦電阻隨磁場B的變化，進一步驗證了彈道輸運的存在。
彎曲電阻測量（圖2c）：
插圖展示了測量彎曲電阻的幾何形狀和器件的光學顯微鏡圖像。
色圖顯示了彎曲電阻R61,42隨載流子密度n和某些其他參數（可能是磁場或電壓）的變化。
虛線表示W＝Dc/2的條件，這是彎曲電阻反轉符號的預期條件。這一條件有助于理解彈道輸運中電荷載流子的行為。
數據來自兩個不同的器件（S4和S6），并在不同的溫度下測量，以展示彈道輸運在不同條件下的表現。
整體解析：
這段文字和圖表共同展示了近距屏蔽石墨烯中的彈道輸運現象。通過測量電導率、平均自由程、磁聚焦電阻和彎曲電阻，研究者能夠驗證石墨烯中電荷載流子的彈道輸運行為。這些測量不僅有助于理解石墨烯的電子性質，還為開發基于石墨烯的高性能電子器件提供了重要信息。特別是，近距屏蔽技術的應用顯著提高了石墨烯的電子質量，使得彈道輸運在更廣泛的條件下得以實現。
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圖3 | 在毫特斯拉磁場下的量子化現象
a，朗道扇形圖 ρxx(n,B)（白色至藍色漸變，表示0至4千歐）。帶藍色虛線的數字表示填充因子ν。
b，從a圖中在不同磁場B下水平切割得到的圖像。插圖展示了低磁場下扇形圖的細節（白色至藍色漸變，表示0至40千歐）。箭頭：預期ν＝−2的位置。注意，在電荷中性點附近，ρxx(n)變化迅速，導致出現一個寬闊的深色區域，掩蓋了舒布尼科夫-德哈斯（SdH）振蕩的開始。這些振蕩在水平切割圖中能更好地分辨（另見擴展數據圖6）。
c，ρxy的映射圖（藍色至紅色漸變，表示±h/2e²）。疊加的曲線展示了在5毫特斯拉和10毫特斯拉下ρxy(n)的軌跡（為清晰起見進行了偏移）。箭頭標記了半高寬處的完整轉變寬度，約為6×10? cm?²。所有數據均為設備S1在2開爾文下的測量結果。
解析
這段文字描述了圖3中的三個子圖，它們共同展示了在極低磁場（毫特斯拉級別）下石墨烯中的量子化現象。
子圖a：展示了朗道扇形圖，即電阻率ρxx隨載流子濃度n和磁場B的變化關系。圖中用白色到藍色的漸變表示電阻率的大小，藍色虛線標注了不同的填充因子ν。這個圖直觀地展示了在不同磁場和載流子濃度下，石墨烯中的量子霍爾效應狀態。
子圖b：是從子圖a中在不同磁場B下水平切割得到的圖像，用于更詳細地分析SdH振蕩的開始。插圖特別關注了低磁場下的情況，箭頭指出了預期中ν＝−2的位置。由于電荷中性點附近電阻率變化迅速，形成了一個掩蓋SdH振蕩開始的深色區域。然而，通過水平切割圖，可以更清晰地觀察到這些振蕩。
子圖c：展示了霍爾電阻率ρxy的映射圖，用藍色到紅色的漸變表示其正負和大小。圖中疊加的曲線展示了在5毫特斯拉和10毫特斯拉磁場下，ρxy隨載流子濃度n的變化軌跡。箭頭標記了半高寬處的完整轉變寬度，這個寬度量化了量子霍爾效應中平臺之間的轉變區域。這個子圖進一步證實了石墨烯在極低磁場下就能展現出清晰的量子霍爾效應。
整體解析：
圖3通過三個子圖共同展示了石墨烯在極低磁場下的量子化現象。子圖a提供了整體的朗道扇形圖，子圖b通過水平切割圖詳細分析了SdH振蕩的開始，而子圖c則通過霍爾電阻率的映射圖展示了量子霍爾效應的平臺和轉變區域。這些結果共同表明，通過鄰近門控技術，石墨烯的電子質量得到了顯著提升，使得在極低磁場下就能觀察到清晰的量子化現象。
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圖4 | 接近門控設備中的分數QHE。a，ρxy和ρxx在12 T和50 mK（紅色和藍色曲線；左軸和右軸，分別）。數據作為接近門電壓的函數繪制，由于石墨門中的2.5維QHE和負量子電容效應31，無法準確轉換為載流子密度。ρxy以ν＝（h/e2）/ρxy的形式繪制。水平線標記分數板極的預期位置。箭頭指示相應的ρxx最小值。b，用于提取激活能（activation energies）的電阻最小值（normalized by values at 2 K）的Arrhenius圖，對于ν＝2/3和5/3的情況。c，接近門控設備S1（紅色符號）和遠程門控設備（帶有誤差條的藍色符號）的分數QHE間隙的比較。藍色矩形符號是預期的間隙，通過使用?B/2d抑制因子（d=1nm和?B≈7.5nm，對于12T）計算得出。
解析：
1、研究背景：二維材料石墨烯的電子質量對量子運輸現象的研究至關重要。
2、接近門控：在石墨烯附近放置石墨門，通過靜電屏蔽（proximity screening）顯著提高了石墨烯的電子質量。
3、量子霍爾效應：這種提升對量子霍爾效應的影響被研究，它涉及到電子在強磁場中的行為。
4、實驗數據：
*ρxy和ρxx：ρxy是霍爾電阻，ρxx是縱向電阻。這些數據反映了在不同磁場和溫度下，石墨烯的電阻如何隨載流子密度的變化而變化。
*Arrhenius圖：用于提取激活能，即描述電子躍遷的能量閾值。
*分數QHE間隙：這是量子霍爾效應中不同填充因子（ν）的能隙，表示了不同電子態之間的能量差異。
5、結果對比：在接近門控和遠程門控的兩種情況下，分數QHE間隙被比較，顯示了接近門控帶來的電子質量提升對量子霍爾效應的影響。
整體而言，該研究展示了通過接近門控技術提高石墨烯電子質量并進而影響量子霍爾效應的可能性。
我們的研究表明，鄰近屏蔽可以將石墨烯的電子質量提高多達兩個數量級。由此產生的電荷均勻性是前所未有的（狄拉克點波動小于10 K），使得在幾毫特斯拉的磁場中就能實現極窄的朗道能級和量子霍爾效應。盡管這種質量的提升是以抑制多體現象為代價的，但涉及相對較短空間尺度（小于10 nm）的相互作用仍然很強，這表明鄰近屏蔽對于研究高磁場中的短程關聯態和多體物理可能特別有價值。我們預計，這種方法對于研究石墨烯多層膜和超晶格將特別有益。隨著二維半導體質量的不斷提高，鄰近屏蔽也可能適用于這些系統，因為與單層石墨烯相比，它們具有更豐富的能帶結構和更強的相互作用，可能因無序減少而揭示新的物理現象。另外，正如我們在鄰近柵極器件中在低于80 mT的磁場中觀察到的螺旋量子霍爾效應所證明的那樣，我們的方法可用于有意抑制多體相互作用，同時提供 卓越的電子質量。https://doi.org/10.1038/s41586-025-09386-0
轉自《石墨烯研究》公眾號
