Sondering arbejde og varmeafledning i quantum Hall kanter af grafen

Video 1:En sekvens af temperaturscanninger for forskellige bagklapsspændinger V _bg øget fra -8 V til 8 V ved 4,2 K, B _z =1 T, og V. _tg =8 V. En strøm Idc drives fra bundkonstriktionen til en af de øverste kontakter, og værdien af strømmen justeres med Vbg for at opretholde den samlede effekt, der spredes i prøven af R _2p jeg _dc 2 =10 nW. Systemets kiralitet er mod uret for negative Landau -niveauer og med uret for positive Landau -niveauer. I videoen, man kan observere udviklingen af entropi -generationsprocesser, synlig som skarpe ringe langs kanterne, og udviklingen af arbejdsgenereringsprocesser, som vises i form af større mere slørede træk. Ved store påfyldningsfaktorer | ν | ≥ 10, overvejende nedstrøms "entropi" -ringe er synlige langs prøveens nederste kant til højre (venstre) af indsnævringen for negative (positive) v. I dette tilfælde er antallet af nedstrøms kanaler betydeligt større end for de opstrøms kantrekonstruerede kanaler. Som resultat, kanalerne er bedre ækvilibreret, og der er derfor mindre tilbagespredning og mindre arbejde udført langs kanterne. I denne situation udføres det meste af arbejdet ved indsnævringen, og de energiske bærere, der injiceres ved indsnævringsstrømmen nedstrøms, og mister deres overskydende energi gennem resonant fononemission ved atomdefekter, der er synlige som "entropi" -ringene. Disse ringe henfalder over en afstand på ~ 15 µm fra indsnævringen. Ved | ν | ≲ 10, "arbejde" -buer begynder at dukke op foruden "entropi" -ringene langs både nedstrøms og opstrøms retninger, og kiraliteten går gradvist tabt. Denne adfærd stammer fra tilbagespredning mellem kontrapropagering af ikke -topologiske kanaler, hvilket resulterer i, at arbejdsgenerering langs kanalerne giver anledning til buer. Dette arbejde, genereret langs hele kanalernes længde frem for ved indsnævringen, i nu den dominerende energikilde, der "fodrer" "entropi" -ringene, forklarer fraværet af henfald i ringintensiteten og fraværet af kiralitet. Denne spredning, fordelt over kanternes fulde længde, bliver mest fremtrædende i den laveste LL, nLL =0, hvor der ikke er topologiske kantkanaler. Alligevel flyder det meste af strømmen stadig langs kanterne på grund af tilstedeværelsen af et eller flere par kontrapropagerende ikke -topologiske kantkanaler. I denne metalliske tilstand, såvel som i højere LL metalliske tilstande, i stedet for den almindeligt antagne tilbagespredning mellem prøvens modsatte kanter, det meste af tilbagespredning sker mellem de kontrapropagerende kanaler inden for kanterne. Dette er grunden til, at i Video V1, vi observerer næsten ingen spredning i bulk til en værdi af Vbg, undtagen meget tæt på ladningsneutralitetspunkt, hvor den samlede spredning i prøven når et maksimum, der afslører knap synlige ringe langs de indre kanter af de firkantede huller (ν =-0,14 ramme). Kredit:Weizmann Institute of Science

Ved at kombinere vores nano-SQUID på spidsen med scanningsportmålinger i quantum Hall-fasen af grafen var vi i stand til at måle og identificere arbejds- og varmeafledningsprocesser separat. Målingerne viser, at spredningen styres af krydstale mellem kontrapropagerende par nedstrøms og opstrøms kanaler, der vises ved grafengrænser på grund af kantrekonstruktion.

I stedet for lokal Joule -opvarmning, imidlertid, dissipationsmekanismen omfatter to adskilte og rumligt adskilte processer. Den arbejdsgenererende proces, som vi forestiller os direkte, og som involverer elastisk tunneling af ladningsbærere mellem kvantekanalerne, bestemmer transportegenskaberne, men genererer ikke lokal varme.

Den uafhængigt visualiserede proces for varme og entropi, i modsætning, forekommer ikke -lokalt ved uelastisk resonans spredning af enkelte atomdefekter ved grafenkanter (se også vores tidligere arbejde), uden at det påvirker transporten. Vores resultater giver en afgørende indsigt i mekanismerne, der skjuler den sande topologiske beskyttelse, og foreslår steder til konstruktion af mere robuste kvantetilstande til enhedsapplikationer. Nedenfor ses sekvenser af scanninger målt på forskellige grafeneenheder ved 4,2 K.

En sekvens af scanningsportbilleder af firesondemodstanden Rxx (r) i et indzoomt område langs den øvre grænse for den samme prøve som i Video 1. Rxx (r) =Vxx (r)/Idc registreres som en funktion af spidspositionen r for forskellige bagportspændinger Vbg. Her er den injicerede samlede effekt mindre i forhold til Video 1. Den stiplede vandrette linje angiver den øverste kant af prøven.

Video V3 viser et eksempel på udviklingen af de samtidigt erhvervede termiske og scannende gate Rxx (r) billeder ved varierende Vpg. For denne høje Vtg (6 V) løses "entropiringene" og "arbejdsbue-lignende funktioner" let. Ringene på grund af fononemission ved atomdefekterne observeres i de termiske billeder langs hele grafenomkredsen, synlig i form af skarpe ringe med mindre diameter. De drives af fjernarbejde, selv når sidstnævnte forskydes betydeligt væk fra kanterne af stempelportens potentiale. Disse ringe er usynlige i Rxx (r) -billederne, da spredningsprocesserne ikke forårsager spredning af bæreren tilbage. De større "arbejde" bue-lignende funktioner er tydeligt visualiseret i Rxx (r) -billederne (lyseblå til røde), der afslører arbejdsgenerationen gennem backscattering. Da arbejdet forårsager ikke -lokal opvarmning, disse træk observeres også i de termiske billeder i form af glorier langs deres ydre konturer.

Bemærkelsesværdigt, den spidsinducerede modstand kan være ekstremt stor, Rxx (r) ≫R0, med Rxx (r) -R0, der når flere kΩ og op til 20 kΩ i nul-Landau-niveauet. På trods af dens meget store værdi finder vi ud af, at Rxx (r) i det væsentlige er strømuafhængig som vist i Video V4. Her varieres vekselstrømmen Iac med mere end to størrelsesordener fra 10 nA til 1,4 µA med kun mindre ændring i Rxx (r). Den nuværende uafhængige Rxx (r) indebærer, at det resulterende arbejde og den ikke -lokale varmeafledning stiger kvadratisk med Iac. Ja, det andet harmoniske termiske signal i Video V4 er under vores følsomhed ved lave strømme og vokser kvadratisk med strømmen. Bemærk, at de skarpe termiske ringe i billederne ved forhøjede strømme er distraheret fra de "arbejde" buelignende mønstre, der er synlige både i termiske og Rxx (r) scanninger.

Video V5 viser et eksempel på udviklingen af Rxx (r) ved varierende V_tg ved en neutral stempelport, og meget lav strøm af Iac =10 nA. En negativ Vtg forårsager ophobning af huller under spidsen, men dette har ingen observerbar effekt. Dette skyldes, at hulleakkumulering allerede er til stede langs kanterne, og at øge denne akkumulering i et meget lille område ikke påvirker (formindsker) tilbagespredning betydeligt. Da Vtg øges til små positive værdier, den inducerede udtømning af hulleakkumuleringen forårsager komprimering af de kontrapropagerende kanaler, hvilket resulterer i forbedret tilbagespredning og udseende af tilsvarende funktioner i R_xx (r), som afslører placeringen af de mest dominerende spredningssteder. Når Vtg bliver tilstrækkelig stor (f.eks. 1,75 V) til at afbryde de modpropagerende par af kanaler, den forbedrede Rxx (r) bliver synlig langs hele kanten af prøven, hvor de ikke -topologiske kanaler er til stede, viser en meget uordnet struktur. For Vtg≳ 3 dannes lysbue-lignende træk, der stiger i diameter og bliver meget fine ved yderligere stigning af Vtg. I dette tilfælde dannes en n-dopet lomme under spidsen. Ved høj Vtg vil denne lomme indeholde et antal Landau -niveauer med kantkanaler stærkt komprimeret mod det stejle kantpotentiale, tilsyneladende forårsager forbedret tilbagespredning mellem kanalerne af resonansstilstandene ved de enkelte atomfejl. Buerne er meget fine ved den påførte lave strøm på 10 nA og bliver mere slørede ved højere strømme.

Sidste artikelFleksibel, bærbare superkapacitorer baseret på porøse nanocarbon -nanokompositter

Næste artikelNeuralt netværksteknik identificerer mekanismer for ferroelektrisk switching