背景介紹

范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出許多奇特的電子特性。利用非局域測試，電壓電極位于經(jīng)典電流接觸點(diǎn)遠(yuǎn)端，研究人員觀察到大量些新穎輸運(yùn)機(jī)制，包括零耗散的自旋輸運(yùn)與谷輸運(yùn)、拓?fù)潆娭行噪娏?、hydrodynamic flow和螺旋邊緣模式等。單層、雙層、少層石墨烯，過渡金屬二硫化物和莫爾超晶格中也觀察到了顯著的非局域效應(yīng)。然而，這些二維非局域效應(yīng)的起源備受爭議。石墨烯在電中性條件下表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非局域效應(yīng)，其起源仍存在較強(qiáng)的爭議。

非局域測試的機(jī)制在于：具有均勻局域歐姆電阻的系統(tǒng)會在遠(yuǎn)距離接觸處產(chǎn)生隨距離快速衰減的響應(yīng)。在長條形樣品中，非局域電阻隨與電流注入電極之間的距離x呈指數(shù)衰減：RNL=VNL/I0≈（4/π）ρxxe-|x|/λ，其中λ=w/π，w為樣品寬度，ρxx為縱向的電阻率，VNL為非局域電壓，I0為施加的電流。這種關(guān)系非常穩(wěn)定，并且與載流子類型、散射機(jī)制、溫度或磁場無關(guān)。因此，與上述經(jīng)典非局域測量理論的任何偏差可以揭示系統(tǒng)中的非常規(guī)輸運(yùn)行為。在局域測量中，與常規(guī)歐姆行為的微小偏差將導(dǎo)致被測信號的偏差。而在非局域測量模式中，歐姆行為的貢獻(xiàn)呈指數(shù)級消失，非常規(guī)輸運(yùn)的影響相對于局域測量模式有幾個數(shù)量級的提升。因此，非局域測量在二維材料非常規(guī)輸運(yùn)行為的闡析中被廣泛使用。

來自以色列魏茨曼科學(xué)研究所的A. Aharon-Steinberg, A. Marguerite, E. Zeldov等利用SQUID-on-tip(SOT)對石墨烯進(jìn)行了納米尺度下的熱與柵極掃描成像，研究表明，石墨烯邊緣的電荷累積是其強(qiáng)非局域態(tài)的起因，并產(chǎn)生了支持長程電流的狹窄導(dǎo)電通道。盡管在零磁場下邊沿導(dǎo)電對電荷流影響不大，但在中等磁場下會導(dǎo)致邊沿與體輸運(yùn)之間的場致解耦。在電中性情況下的強(qiáng)非局域特性以及遠(yuǎn)離電中性情況下的奇異輸運(yùn)特性對邊緣無序非常敏感，甚至?xí)a(chǎn)生逆全局電場方向的電荷流。該工作中觀察到的一維邊緣輸運(yùn)特性是通用且非拓?fù)涞模⑶矣型С衷S多電子系統(tǒng)中的非局域輸運(yùn)特性。

圖文解析

上圖：(a)石墨烯器件、電路及SOT位置示意圖。左插圖為整個樣品寬度上空穴的密度分布，包括體密度以及沿兩個邊緣堆積導(dǎo)致的額外密度。白色虛線標(biāo)記了圖3中的成像區(qū)域。(b)計(jì)算得到的非局域電阻的指數(shù)衰減長度λ與邊緣累積電荷的關(guān)系，η=2Pe/(pbW)。在高遷移率的樣本（此處μ=2.6×105cm2V-1s-1）中，非局域特性隨B增加單調(diào)增加。(c)在B=0、1和5 T時，非局域電阻RNL與背柵電壓Vbg的關(guān)系。(d)通過雙探針電阻歸一化得到的非局域電阻，。(e)對數(shù)坐標(biāo)下顯示的圖(d)，揭示了相對于歐姆情況的強(qiáng)非局域特性（黑色虛線）：在CNP處，但即使在高載流子密度下也非常明顯，p摻雜非局域特性強(qiáng)于n摻雜。

上圖：在中央頂電極1施加頻率f=66.66 Hz的交流電壓V0，而底部電極2接地。此時掃描SOT的二倍頻信號2f得到的熱分布圖像，T2f。改變底柵Vbg和磁場B的整個過程中，施加到樣品上的功率保持恒定，V0I0=15 nW。(a-c)，在B=0 T時，樣品中心部分的熱分布圖像,分別對應(yīng)Vbg=-1 V(a)、0 V(b)和1 V(c)，可以觀察到熱信號向左(L)和右(R)臂的傳播與局域。(d)(e) 在Vtg=0 V(d)和Vtg=8 V(e)，B=1 T，Vbg =-0.05 V時樣品的T2f圖像。相對于b，耗散在L和R臂中的擴(kuò)散得到增強(qiáng)，并且存在Vtg(e)時，沿邊緣的耗散變得顯著。(f)(g) 在Vtg=0 V(f)和Vtg=8 V(g)，B=5 T，Vbg =0 V時樣品的T2f圖像。邊緣耗散在(g)中清晰可見。

上圖：用電壓V0=5.5 mV偏執(zhí)器件，并在樣品的右側(cè)（圖1a中的白色虛線區(qū)域）掃描SOT，同時測量各接觸電極的電流和電勢。(a-c)(a)，(b)和(c)的成像，此時Vbg=?0.66 V，Vtg=8 V。(d-f) I(d)、R2p=V0/I(e)和(f)的成像，此時Vbg=-0.15 V和Vtg=8 V。(g-i) 沿(a)中黃線線掃描成像結(jié)果，分別對應(yīng)Vbg=-5 V(g), -1 V(h), 3.5V (i)。(j-l) 對系統(tǒng)中存在邊緣擾動時的模擬結(jié)果。

上圖：p摻雜的樣品中的歸一化電勢（左列）和電流密度（右列）。灰色箭頭表示局部電流方向，紅色為飽和狀態(tài)，此時。(a)，(b) B=0 T且無邊緣電荷積累（η=0）。電流（b）在中心從源極（頂部）到漏極（底部）垂直向下流，電壓降(a)呈在左臂和右臂中指數(shù)衰減。圖(c)中建立了一個橫向霍爾電勢，并導(dǎo)致圖(d)中垂直于電勢梯度的電流，其空間分布與圖(b)等效（除了接觸附近）。(e)(f) 引入邊緣電荷積累導(dǎo)致的邊緣電流。電流(f)沿著右上邊緣（紅色）從源極流出，并逐漸泄漏到體溝道中，在體溝道中，電流反向，并向左流動。然后，電流被逐漸吸收到左下邊緣，在此再次反轉(zhuǎn)方向，并向右流向漏極。(g)(h)，與(e)(f)相同，在右上角用箭頭標(biāo)記了耗盡尖端。電流（h）沿右上角（紅色）從源極流出并在尖端位置終止，并以增強(qiáng)的局部電流密度轉(zhuǎn)移到整個體溝道中。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03501-7