石墨超量子极限外相变的载流子浓度调控研究

The integral and fractional quantized Hall effects would occur as two-dimensional electron systems in a strong magnetic field. On the other hand, there are no certain answers for three-dimensional electrons subjected to a strong magnetic field when electron-electron interaction rises within their last constrained Landau level. This research will focus on graphite which is a typical semimetal. The graphite whose quantum limit is 7.35T has a high-field induced phase transition into a high resistive state around 22T and returns to the low resistive state around 53T at low temperature. Recently, another phase transition was discovered around 75T. The 22T transition has been attributed to the nesting of the spin-up of electron Landau level. Our recent results suggest that such explanation should be revised. In order to further understand those transitions, this study will utilize different carrier-tunable methods: pressure, gate-tuning on (thickness dependent) microscopic graphite, radiation inducing ion-defects, and micro-scale sample made by Focused Ion Beam etc. combined with angle- and temperature-dependent experiments. We could obtain the nature of the transitions. And our results could provide the direct experimental evidences for the 3D electrons under a ultra-high magnetic field.

二维电子气在磁场下会发生量子霍尔效应和分数量子霍尔效应。但三维电子在最后一个朗道能级上（量子极限以外）由于超强磁场束缚电子与电子的相互作用而导致的相变问题却一直没有明确的答案。本研究将以石墨作为研究对象，进行超强磁场下的研究。低温下，量子极限在7.35T的石墨在22T以外发现相变进入高磁阻，。并在53T左右又回到低磁阻态，最近又在75T左右发现额外的相变。以往的解释认为22T这个相变是由于电子向上的电子嵌套形成。本人最近的研究发现这个解释是需要修改的。为了更深入了解这些相变，本研究将会通过各种载流子调控手段：压力、层厚的改变的介观石墨gate调节、辐射引入离子缺陷、以及离子束刻蚀制作的微米级样品等等手段再结合转角的实验进行研究来了解这些相变。从而得到这些相变的本质原因，为三维电子在超强磁场可能发生的相变提供实验依据。

三维电子气在强磁场下随着电子之间的相互作用增加而产生的特殊现象，一直是凝聚态物理研究的一个焦点，特别是在二维电子气中发现了量子霍尔效应和分数量子霍尔效应之后。石墨作为典型的半金属，具有较低载流子浓度，迁移率等特点。约7.5T 就能让系统达到量子极限，是研究三维电子气在磁场下行为的绝佳选择。自上世纪80年代初，Tanuma等人在低温下磁场约22T的时候发现石墨的磁阻急剧增加，认为是磁致电荷密度波相变。随后2013年人们又发现了到75T左右出现另一个磁致相变。虽然至今已近40年，人们对这些相变背后的物理机制一直莫衷一是，需要更深入研究。..本研究通过电输运手段，研究了不同温度下石墨在高达90T磁场下面内和面间的磁阻,发现了除A相（25T-53T）和B相（53T–75T）外的新相：C 相（>75T），并同时给出了温度依赖的相图。另外，我们也研究了不同磁场方向的磁阻，得到了部分相变磁场的角度依赖关系，除两个绝缘想A相与B相的相变点，其它相变场均满足余弦关系。发现B相消失的磁场值不依赖温度再加上无相关朗道能级被排空，得到B相为一个自旋极化的电子-空穴配对的激子绝缘相。该研究以基金申请人第一作者通讯作者发表在PhysRevX.9.011058(2019)上。同时，我们还研究了石墨在强磁场下的能斯特效应，压力下磁阻以及中子辐射等，相关的成果正在整理中。另外，还利用此基金开展了其它半金属如铋中角度依赖的磁电阻测量，发现磁电阻的下降与狄拉克谷有直接的关系，即当磁场高于阈值Bempty时，一个或两个狄拉克谷会被完全排空到另外的狄拉克谷，电子在由迁移率高的狄拉克谷转移到迁移率低的狄拉克谷过程中，使得电导成倍增大，最终导致磁阻剧烈降低，成果以基金申请人第一作者通讯作者发表在Nat.Commu.10.1038(2017)上。利用铁磁半金属材料Co3Sn2S2中发现与杂质反相关的反常能斯特效应现象, 以基金申请人第一作者通讯作者发表在Phys. Rev. X 9. 041061(2019)上。其它重要结果请见研究成果。..我们的研究揭示了几种三维电子材料在超强磁场下表现出奇异性质，为研究其它材料比如拓扑半金属材料等在超强磁场下表现的物理现象提供了指导。