Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene

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作者
Yuanbo Zhang,Yan‐Wen Tan,H. L. Störmer,Philip Kim
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:438 (7065): 201-204 被引量:13141
标识
DOI:10.1038/nature04235
摘要

When electrons are confined in two-dimensional materials, quantum-mechanically enhanced transport phenomena such as the quantum Hall effect can be observed. Graphene, consisting of an isolated single atomic layer of graphite, is an ideal realization of such a two-dimensional system. However, its behaviour is expected to differ markedly from the well-studied case of quantum wells in conventional semiconductor interfaces. This difference arises from the unique electronic properties of graphene, which exhibits electron-hole degeneracy and vanishing carrier mass near the point of charge neutrality. Indeed, a distinctive half-integer quantum Hall effect has been predicted theoretically, as has the existence of a non-zero Berry's phase (a geometric quantum phase) of the electron wavefunction--a consequence of the exceptional topology of the graphene band structure. Recent advances in micromechanical extraction and fabrication techniques for graphite structures now permit such exotic two-dimensional electron systems to be probed experimentally. Here we report an experimental investigation of magneto-transport in a high-mobility single layer of graphene. Adjusting the chemical potential with the use of the electric field effect, we observe an unusual half-integer quantum Hall effect for both electron and hole carriers in graphene. The relevance of Berry's phase to these experiments is confirmed by magneto-oscillations. In addition to their purely scientific interest, these unusual quantum transport phenomena may lead to new applications in carbon-based electronic and magneto-electronic devices.
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