Iboende kvantiseret anomal Hall-effekt i en moiré-heterostruktur

Den quantum anomalous Hall (QAH) effekt kan kombinere topologi og magnetisme for at producere præcist kvantiseret Hall modstand ved nul magnetfelt (et miljø omhyggeligt screenet fra magnetiske felter). I en nylig rapport vedr Videnskab , M. Serlin og et tværfagligt forskerhold i Fysisk Institut, National Institute of Materials Science og Kavli Institute for Theoretical Physics i USA og Japan detaljerede observationen af ​​en QAH-effekt i snoet dobbeltlagsgrafen justeret til sekskantet bornitrid. De drev effekten via iboende stærke interaktioner, som polariserede elektronerne til et enkelt spin og dalopløst moiré miniband (interferensmønster).

Når et magnetfelt påføres vinkelret på strømmen i en tynd film, et elektrisk felt kendt som Hall -effekten kan genereres indbyrdes vinkelret på strømmen og magnetfeltet. En anomal Hall-effekt kræver kombineret magnetisk polarisering og spin-kredsløbskobling i fravær af et eksternt magnetfelt (deraf anomalien). Når den uregelmæssige Hall -effekt kvantificeres, det er kendt som den kvante -anomaliske Hall -effekt. I modsætning til magnetisk dopede systemer, transportenergikortet målt af Serlin et al. var større end Curie-temperaturen til magnetisk bestilling. Elektriske strømme så små som 1 nA kunne kontrollerbart skifte den magnetiske rækkefølge mellem tilstande med modsat polarisering for at danne en elektrisk omskrivbar magnetisk hukommelse.

Fysikere og materialeforskere kan klassificere todimensionelle isolatorer ved hjælp af topologien af ​​deres fyldte energibånd. I fravær af tidsvendingssymmetri (bevarelse af entropi), ikke -privat båndtopologi kan eksperimentelt manifestere sig som kvantiseret Hall -ledningsevne. Forskere motiveres af grundlæggende spørgsmål om arten af ​​topologiske faseovergange og deres mulige anvendelser inden for resistensmetrologi og topologisk kvanteberegning. De har ydet en betydelig indsats for at konstruere kvantiserede anomaliske Hall -effekter med topologisk beskyttet kvantiseret modstand i fravær af et påført magnetfelt. Forskere havde kun hidtil observeret QAH-effekter i en snæver klasse af materialer indeholdende dopede overgangsmaterialer. De magnetiske dopingmomenter i disse materialer brød tidsvendingssymmetrien, kombineret med de stærkt spin-orbit-koblede elektroniske strukturer for at producere topologisk ikke-trivielle Chern-bånd (energibånd).

Ydeevnen af ​​disse materialer er, imidlertid, begrænset af den inhomogene fordeling af magnetiske dopemidler (additiver), fører til strukturelle, ladning og magnetisk forstyrrelse på mikroskala. Den resulterende kvantisering sker derfor ved temperaturer, der er omtrent en størrelsesorden mindre end den magnetiske bestillingstemperatur. At konstruere iboende kvanteanomale Hall-effekter, moiré graphene heterostrukturer giver to væsentlige ingredienser; topologiske bånd og stærke korrelationer. For eksempel, i hexagonal bornitrid (hBN) og snoet flerlagsgrafen, moiré-mønstre producerer generisk bånd med endeligt Chern-nummer, hvor tidsvendende symmetri af enkeltpartikelbåndstrukturen kan håndhæves ved at annullere Chern-tal i modsatte grafendale. For eksempel, i specifikke heterostrukturer, såsom snoet to -lags grafen (tBLG) med en mellemliggende vridningsvinkel og rhombohedral grafen justeret til hBN, båndbredden af ​​Chern-bånd kan gøres usædvanlig lille. Forskere har demonstreret tilstande af magnetisk hysterese (afvigelse fra den teoretiske værdi) i forhold til tidsomvendt symmetribrud i tBLG- og hBN-heterostrukturer for at vise store unormale Hall-effekter.

I nærværende arbejde, Serlin et al. observerede en QAH (kvanteafvigende Hall) effekt, der viser en robust magnetisk feltkvantisering i en fladbånds tBLG (snoet bilayer grafen) prøve justeret til hBN (hexagonal born nitrid). De beskrev den elektroniske struktur af det flade bånd tBLG via to forskellige bånd pr. spin og dalprojektion isoleret fra højere energispredningsbånd af et energigab. De flade bånd havde en samlet kapacitet på otte elektroner pr. forskerholdet definerede båndfyldningsfaktoren som ν =nA _m , hvor n er lig med elektrontætheden og A _m svarede til et areal på 130 nm ² inden for moiré-enhedscellen.

Holdet registrerede den langsgående og Hall-modstand ved et magnetfelt (B) på 150 mT og temperatur (T) på 1,6 K, som en funktion af ladningstæthed på tværs af hele fladbåndet. De observerede Hall -resistiviteten for at være hysterisk (halter som reaktion på ændrede forhold), og resultaterne viste en QAH -tilstand stabiliseret ved spontant brudt tidsomvendt symmetri. Forskerne observerede kun den kvantificerede respons for et bestemt valg af kontakter i et specifikt rum i enheden. Den observerede magnetisme opstod fra 2D-karakteren af ​​grafenbåndene. Serlin et al. teknisk justeret enheden til et af hBN-lagene og baseret på observationerne, forudsagde de hBN -justerede prøver at udgøre en anden klasse af tBLG -enheder med tydelig fænomenologi.

Efterhånden som systemets temperatur steg, forskerne observerede en afvigelse fra modstandskvantisering og undertrykkelse af hysterese med Hall-effekten for at demonstrere lineær adfærd i felten ved 12 K. De observerede finit hysterese op til temperaturer på 8 K, i overensstemmelse med Curie-temperaturen (T _C =7,5 K). Derefter, at kvantitativt vurdere energiskalaerne forbundet med QAH-tilstandene, holdet målte aktiveringsenergien ved en lavere temperatur. De bemærkede, at aktiveringsenergien var flere gange større end T _C , i modsætning til magnetisk doterede isolatorfilm, hvor aktiveringshullerne typisk var 10 til 50 gange mindre end T _C.

Da de ferromagnetiske domæner i tBLG stærkt kan interagere med påført strøm for at tillade deterministisk kontrol inden for enheden til domænepolarisering med usædvanligt små DC -strømme. I nærværende arbejde, de påførte jævnstrømme kørte omskiftning svarende til den, der blev observeret i et anvendt magnetfelt, at producere hysteretisk skift mellem magnetiseringstilstande. Serlin et al. opnåede også deterministisk ikke-flygtig elektrisk skrivning og læsning af en magnetisk bit ved hjælp af en række af 20 nA strømimpulser til kontrollerbart at vende magnetiseringen, efterfulgt af en udlæsning ved hjælp af den store resulterende ændring i Hall-modstanden. Den absolutte størrelse af den strøm, der kræves for at skifte systemets magnetiseringstilstand, var tilnærmet 10 ^-9 EN, betydeligt mindre end det, der er rapporteret i noget tidligere system.

Baseret på resultaterne, holdet foreslog en simpel mekanisme til at forklare det observerede lavstrømsskift, der opstod fra samspillet mellem kanttilstandsfysik og enhedsasymmetri. Derfor, i et QAH (quantum anomalous Hall) system, en påført strøm kan generere en kemisk potentialforskel mellem de chirale endimensionelle tilstande placeret på modsatte prøvekanter. Når kanterne har forskellige længder eller hastigheder, strømmen favoriserede et af de to domæner, hvor tegn og størrelse af effekten blev bestemt i henhold til enhedens symmetri. På denne måde M. Serlin og kolleger bemærkede, at den observerede effekt er generisk for alle QAH-systemer og sandsynligvis vil være dominerende ved lave strømme i tBLG på grund af svag fastgørelse af magnetiske domæner og små enhedsdimensioner. Arbejdet giver en ingeniørparameter til elektrisk styring af domænestruktur, som kan kodes deterministisk ind i enhedsgeometrien.

© 2020 Science X Network