В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные из Манчестерского университета достигли беспрецедентного [электронного качества в графене](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09386-0), разработав метод проксимального скрининга, при котором проводящие затворы расположены всего в одном нанометре от углеродной решётки.
Предыстория
На протяжении десятилетий полупроводниковые гетероструктуры на основе [арсенида галлия](https://phys.org/tags/gallium+arsenide/) доминировали в области высококачественных двумерных электронных систем, достигая подвижности носителей заряда до $5,7 × 10^7$ $см^2$ $В^{-1}$ $с^{-1}$. Несмотря на теоретическое превосходство графена и уникальную физику безмассовых электронов Дирака, практические устройства постоянно показывали более низкие результаты.
Метод исследования
Ведущий автор исследования, Даниил Домарецкий, научный сотрудник Манчестерского университета, рассказал Phys.org о подходе команды, основанном на проксимальном скрининге. Этот метод использует основные электростатические принципы для значительного снижения неоднородности заряда.
Располагая атомарно плоский кристалл графита очень близко к слою графена, отделённому всего тремя-четырьмя атомными слоями гексагонального нитрида бора (примерно один нанометр), исследователи создали среду, в которой электрические помехи эффективно нейтрализуются.
«Механизм основан на классическом электростатическом принципе: зеркальных зарядах», — пояснил Домарецкий. «Наш графитовый затвор работает точно так же, но с чрезвычайной эффективностью, потому что он так близко к графену. Считается, что основным источником беспорядка в высококачественных графеновых устройствах является случайный фон заряженных примесей в окружающей среде, который создаёт неровный электрический ландшафт из электронно-дырочных луж».
Графитовый кристалл действует как затвор, электрод, который помогает контролировать электрическую среду вокруг графена. Когда заряженная примесь создаёт беспорядок, близлежащий проводящий затвор генерирует противоположный «зеркальный заряд», который нейтрализует возмущение.
«Этот ультраплоский ландшафт позволяет электронам перемещаться баллистически на очень большие расстояния без рассеяния», — сказал Домарецкий. Улучшение составляет примерно один остаточный заряд на десять миллиардов атомов углерода в типичном устройстве.
Результаты
Проксимальный метод скрининга позволил установить несколько рекордов производительности. Квантовая подвижность достигла примерно $10^7$ $см^2$ $В^{-1}$ $с^{-1}$, а подвижности при низкой концентрации носителей заряда превысили $2,5 × 10^7$ $см^2$ $В^{-1}$ $с^{-1}$. В режиме нейтрального заряда, когда электроны и дырки сосуществуют в «дирак-плазме», подвижности превысили $10^8$ $см^2$ $В^{-1}$ $с^{-1}$.
Повышенное качество позволило наблюдать [квантовые явления](https://phys.org/tags/quantum+phenomena/) при магнитных полях всего в один миллитесла, что сопоставимо с [магнитным полем](https://phys.org/tags/magnetic+field/) Земли. Осцилляции Шубникова — де Гааза, признаки квантования Ландау, стали видны при этих ультранизких полях, по сравнению с сотнями миллитесла, которые обычно требуются в обычных графеновых устройствах.
«Этот результат имеет большое значение, поскольку он принципиально меняет положение графена в иерархии квантовых материалов», — отметил Домарецкий. «Для современных образцов инкапсулированного графена обычно требуются магнитные поля в несколько сотен миллитесла, чтобы начать показывать чёткие признаки квантования Ландау».
Критическим вопросом при использовании проксимального скрининга было то, не приведёт ли подавление [взаимодействий на больших расстояниях](https://phys.org/tags/long-range+interactions/) к исчезновению важных квантовых явлений многих тел, таких как дробный квантовый эффект Холла. Исследователи обнаружили, что, хотя энергетические зазоры были уменьшены в три-пять раз, дробные квантовые состояния Холла оставались чётко наблюдаемыми.
«Это была очень важная проверка для нас», — сказал Домарецкий. «Проксимальный скрининг — это мощный инструмент, но он также и своего рода грубый инструмент. Он экранирует электростатические силы на больших расстояниях — как нежелательные силы от блуждающих примесей, так и важные электрон-электронные взаимодействия, которые лежат в основе некоторых наиболее удивительных физических явлений».
Сохранение этих квантовых состояний происходит потому, что проксимальный скрининг в основном влияет на взаимодействия на расстояниях более десяти нанометров, в то время как соответствующая физика происходит на более коротких масштабах длины в сильных магнитных полях.
Исследование открывает множество направлений для исследований. Ультрачистая платформа может выявить новые хрупкие квантовые состояния, ранее замаскированные беспорядком. Метод не ограничивается однослойным [графеном](https://phys.org/tags/graphene/) и может улучшить другие двумерные системы, многослойные структуры и скрученные сверхрешётки.
«Мы можем теперь использовать скрининг как инструмент для целенаправленной настройки электронных взаимодействий», — пояснил Домарецкий. «Мы уже показали это, наблюдая «спиральный» квантовый эффект Холла — тип топологического изолятора — при магнитных полях, более чем на порядок ниже, чем требовалось ранее».
Исследование утверждает проксимальный [скрининг](https://phys.org/tags/screening/) как общую стратегию улучшения электронного качества в двумерных материалах, что может повлиять на квантовую электронику и открыть новые подходы к квантовым вычислениям, высокочастотной электронике и прецизионной метрологии.