Physical Review Letters：宽带激发下石墨烯量子霍尔态击穿的非欧姆

研究背景

在量子霍尔效应中，无序造成的体局域态保护边缘通道免于背散射，电阻因而被精确量子化。然而，温度升高或电场过强时，体电导会被激活，量子化随之破坏，这就是量子霍尔击穿。弄清击穿机制，既关系到局域化这一基础物理问题，也关系到量子计量等依赖无耗散输运的实际应用。此前的击穿研究大多局限在直流和低频条件，射频与微波频段的系统研究还很少，而高频边缘态输运、非互易微波元件等应用恰恰工作在 GHz 频段。石墨烯的朗道能级具有四重自旋与谷简并：回旋能隙很大，自旋、谷极化产生的对称性破缺能隙则小得多，能隙从几开尔文跨到数百开尔文，使石墨烯成为在宽能标范围内研究击穿的难得体系。

成果简介

近日，德国科隆大学的 Torsten R?per 等人利用宽带激发，系统研究了石墨烯量子霍尔态的击穿过程，通讯作者为科隆大学的 Torsten R?per。团队把单层石墨烯封装在六方氮化硼薄片之间，制成 Corbino 环形器件，直接测量体电导。器件横向尺寸为 7.5 × 10 μm2，在 9 T 磁场和约 20 mK 温度下，分别施加直流偏压和最高达 10 GHz 的射频激励。结果显示，直流、射频与升温三者造成的击穿图景相同，击穿曲线的形状和标度与频率无关。较小的自旋能隙在偏压低于 1 mV 时即已消失，较大的回旋能隙则在高达 50 mV 的偏压下仍保持绝缘。体电导始终服从 Efros-Shklovskii 变程跳跃规律，拟合在两个数量级的温度范围内都与数据吻合，由此提取的跳跃温度 T? 标定了各填充因子处的局域化强度。借助变程跳跃测温，团队把偏压下的电导换算为有效电子温度，发现其幂律指数 β 随跳跃能量增大，从小能隙处的约 0.4 单调升至大能隙处的约 1。这意味着小能隙处是焦耳加热主导的欧姆输运，大能隙处则是电场辅助变程跳跃主导的非欧姆输运。在跳跃能量居中的填充因子处，同一器件内随偏压增大还会出现从非欧姆区到欧姆区的转变，转变电压随 T? 增大而升高，并与电导的开启位置重合。

图注说明

图1 器件布局与实验装置。石墨烯 Corbino 环的显微照片与测量电路示意图：中心内接触施加探测电压与直流激励，外侧接触接地或经偏置器连接射频源，石墨背栅调节填充因子，比例尺为 10 μm。

图2 直流、射频与温度驱动击穿的对比。(A)–(C) 体电导随填充因子 ν 的变化，驱动分别为不断增大的直流偏压、6 GHz 射频激励和不断升高的温度，三者图景一致；(D)–(F) 选定填充因子处电导随直流偏压、射频幅度和温度的变化，(F) 中黑线为变程跳跃拟合。

图3 加热分析。(A) 不同填充因子处有效电子温度随直流偏压的变化，虚线标示 β = 1 与 β = 1/2 两种标度；(B) 幂律指数 β 随跳跃温度 T? 的变化，蓝色与灰色区域分别为非欧姆区与焦耳加热主导的欧姆区预期范围；(C) ν = 6 能隙内不同填充因子的有效电子温度；(D) 滑动窗口拟合得到的 β 随偏压的演化，显示同一器件内由非欧姆向欧姆的转变。

图4 非欧姆—欧姆转变的定量刻画。(A) ν = 6.6 处由电导测得的有效电子温度与焦耳加热模型估计的电子温度随偏压的变化，两线交点给出转变偏压的估计；(B) 转变电压随跳跃温度的变化，两种独立判据得到的结果一致，并与电导开启点（黑线）重合。

总结展望

这项工作表明，石墨烯量子霍尔态的击穿并非由单一机制主导，而是从非欧姆输运到欧姆输运的系统转变，转变的发生由跳跃能量、即局域化强度控制：局域化越强，体系越能耐受高偏压，焦耳加热的开启越晚。这与量子反常霍尔效应中频率依赖的击穿图景形成对照，说明石墨烯量子霍尔击穿源于体局域化的本征物理，而非驱动的动力学效应。该工作把低频与高频击穿纳入同一图景，也为在高频激发下系统研究拓扑体系的耗散提供了方法，对量子计量和高频量子器件的设计具有参考意义。

文献链接

R?per, T., Zhang, A., Watanabe, K., Taniguchi, T., Maillet, O., Parmentier, F. D., & Bocquillon, E. Non-Ohmic to Ohmic Crossover in the Breakdown of the Quantum Hall States in Graphene under Broadband Excitations. Phys. Rev. Lett. 137, 156602 (2026).

https://doi.org/10.1103/5kkx-rcdh

信息来源：低维昂维

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