Helical quantum Hall fase i grafen på strontiumtitanat

Spin-polariseret ferromagnetisk fase i grafen på høj-k dielektrikum. (A) I den ferromagnetiske fase af ladningsneutral grafen, den brudte symmetritilstand af det halvt udfyldte nulte Landau-niveau er spin-polariseret og optager begge undergitter af honeycomb-gitteret, som vist i indlægget. Kantspredningen er et resultat af lineære kombinationer af bulk isospin tilstande, som spredes som elektronlignende og hullignende grene, giver et par mod-propagative, spin-filtrerede spiralformede kantkanaler ved ladningsneutralitet. Røde og blå pile repræsenterer spinpolariseringen af underniveauerne. (B) Skematisk af et grafengitter med spiralformede kantkanaler, der forplanter sig på den krystallografiske lænestolskant. (C) Skematisk af den hBN-indkapslede grafen-enhed placeret på et SrTiO3-substrat, der fungerer både som et høj-dielektrisk konstant miljø og et back-gate-dielektrikum. På grund af den betydelige dielektriske konstant (er ~ 10, 000) af SrTiO3-substratet ved lav temperatur og den ultratynde hBN-spacer (2 til 5 nm tyk), Coulomb-interaktion i grafen-planet er i det væsentlige screenet, resulterer i en modifikation af kvante Hall grundtilstanden ved ladningsneutralitet og fremkomsten af den ferromagnetiske fase med spiralformet kanttransport. Den forstørrede visning viser atomlag af den hBN-indkapslede grafen van der Waals-samling og overflade-atomstrukturen af SrTiO3. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aax8201

Materialer, der udviser topologiske faser, kan klassificeres efter deres dimensionalitet, symmetrier og topologiske invarianter for at danne ledende kanttilstande med ejendommelige transport- og spinegenskaber. For eksempel, kvante-Hall-effekten kan opstå i todimensionelle (2-D) elektronsystemer udsat for et vinkelret magnetfelt. Når distinkte karakteristika for kvante Hall-systemer sammenlignes med tids-reverserende symmetriske (entropi-bevarede) topologiske isolatorer (TI'er), de ser ud til at stole på Coulomb-interaktioner mellem elektroner for at inducere et væld af stærkt korrelerede, topologisk eller symmetri-projekterede faser i en række eksperimentelle systemer.

I en ny rapport nu på Videnskab , Louis Veyrat og et forskerhold i materialevidenskab, kvanteoptik og optoelektronik i Frankrig, Kina og Japan indstillede grundtilstanden for grafen nulpunkt Landau-niveauet, dvs. orbitaler optaget af ladede partikler med diskrete energiværdier. Brug af passende screening af Coulomb-interaktionen med den høje dielektriske konstant af et strontiumtitanat (SrTiO) ₃ ) substrat, de observerede robust spiralkanttransport ved magnetiske felter så lave som 1 Tesla, tåler temperaturer på op til 110 kelvin over mikronlange afstande. Disse alsidige grafenplatforme vil have applikationer inden for spintronik og topologisk kvanteberegning.

Topologiske isolatorer (TI'er), dvs. et materiale, der opfører sig som en isolator i dets indre, men bevarer en ledende overfladetilstand, med nul Chern-tal er dukket op som kvante Hall-topologiske isolatorer (QHTI'er), der stammer fra mange-legeme-interagerende Landau-niveauer. De kan afbildes som to uafhængige kopier af quantum Hall-systemer med modsat chiralitet, men det eksperimentelle system er i modstrid med det beskrevne scenarie, hvor en stærk isolerende tilstand observeres ved at øge det vinkelrette magnetfelt i ladningsneutral, grafenenheder med høj mobilitet.

Grafen enheder. Optiske billeder af forskellige prøver. De røde linjer understreger kanterne af de hBN-indkapslede grafenflager. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aax8201

Den eksperimentelle dannelse af den ferromagnetiske (F) fase (F-fase) i grafen er derfor potentielt hindret af sådanne elektron-elektron- og elektron-fonon-interaktioner i gitterskala. For at overvinde dette, Forskere havde tidligere anvendt en meget stærk magnetfeltkomponent i planet højere end 30 Tesla for at overgå anisotrope interaktioner, lader F-fasen eksperimentelt komme frem i grafen. I en anden strategi brugte de grafen-dobbeltlag, der var vært for to forskellige kvante Hall-tilstande af modsatte ladningsbærertyper, men de led af et upraktisk stærkt og skråtstillet magnetfelt eller kompleksiteten af materialesamlingen. Som resultat, i dette arbejde Veyrat et al. brugt en anden tilgang til at inducere F-fasen i monolagsgrafen. I stedet for at booste Zeeman-energien eller Zeeman-effekten, dvs. at opdele en spektrallinje ved hjælp af et magnetfelt for at overvinde anisotrope interaktioner, de modificerede gitterskala-interaktionerne i forhold til Coulomb-interaktioner for at genoprette den dominerende rolle af de spin-polariserende termer og inducere F-fasen.

Lav-magnetisk felt kvantespin Hall-effekt. (A) To-terminal modstand R2t i enheder af h/e2 af prøve BNGrSTO-07 versus magnetfelt og back-gate spænding målt ved 4 K. Ud over standard kvante Hall plateauer ved fyldningsfraktioner n =1 og 2, modstanden udviser et anomalt plateau omkring ladningsneutralitetspunktet mellem B =1,5 og 4 T, afgrænset af de sorte stiplede linjer og den dobbelte pil, som signalerer regimet for QSH-effekten i denne prøve. Værdien af modstanden på dette plateau er h/e2 og er farvekodet hvid. Det indsatte skema angiver kontaktkonfigurationen. Sorte kontakter svæver. De røde og blå pile på de spiralformede kantkanaler angiver retningen af strømmen mellem kontakter, og A angiver amperemåleren. (B) To-terminal konduktans G2t =1/R2t i enheder af e2/h versus back-gate spænding udtrukket fra (A) ved forskellige magnetfelter. De første konduktansplateauer af kvante Hall-effekten ved 2e2/h og 6e2/h er veldefinerede. QSH-plateauet med konduktans e2/h fremkommer tydeligt ved ladningsneutralitet omkring Vbg =0 V. (C) Modstand ved ladningsneutralitetspunktet (CNP) versus magnetfelt for prøve BNGrSTO-07 (røde prikker) ekstraheret fra (A) og prøve BNGrSTO-09 (blå prikker). Sidstnævnte prøve har en tyk hBN afstandsholder og udviser en stærk positiv magnetoresistens ved lavt magnetfelt, der divergerer mod isolering; prøven med den tynde hBN spacer (BNGrSTO-07) viser et QSH plateau, der varer op til ~4 T, efterfulgt af en modstandsforøgelse ved højere magnetfelt. W, ohm. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aax8201

For det, de brugte kvanteparaelektrisk strontiumtitanat (SrTiO ₃ ), kendt for at udvise en stor statisk dielektrisk konstant (D≈10 ⁴ ) ved lave temperaturer. Opsætningen ændrede til sidst grundtilstanden for grafen ved ladningsneutralitet. Veyrat et al. opnåede dette ved at konstruere grafen-heterostrukturer med høj mobilitet baseret på hexagonal bornitrid (hBN) indkapsling og observerede let fremkomsten af F-fasen i en screenet konfiguration. Ved at ændre kilden til elektroner og dræn (elektronernes strømning) kontakter i opsætningen, og antallet af spiralformede kantsektioner, de observerede spiralformet kanttransport. Veyrat et al. observerede også samtidige målinger af to-terminal modstande og ikke-lokal modstand, samtidig med at de samme kilde- og drænstrøminjektionskontakter for at demonstrere strømflow på prøvens kanter.

Ikke-lokal spiralformet kanttransport. (A) To-terminal modstand versus back-gate spænding målt ved 2,5 T og 4 K for forskellige kontaktkonfigurationer vist i (B). Indsatsen viser et optisk billede af den målte prøve BNGrSTO-07. Skalaen er 4 mm. Hver kontaktkonfiguration giver en modstand ved ladningsneutralitet, der når de forventede værdier for spiralkanttransport, som er angivet med de vandrette stiplede linjer. (B) Skema af målekonfigurationerne. Sorte kontakter svæver. De røde og blå pile på de spiralformede kantkanaler angiver retningen af strømmen mellem kontakter. (C) To-terminal modstand, R2t, i blåt og ikke-lokalt, fire-terminal modstand, RNL, i rødt versus back-gate spænding i kontaktkonfigurationen vist i det indsatte skema. I skemaet, V angiver voltmeteret. (D) Modstand ved CNP, Vbg =0 V, i samme kontaktkonfiguration som i (C) versus magnetfelt. Det spiralformede plateau observeres for både to- og fireterminale modstande mellem 1 T og omkring 6 T. Kredit:Science, doi:10.1126/science.aax8201

For at undersøge robustheden af spiralkanttransport, holdet gennemførte systematiske undersøgelser af dets temperatur- og magnetfeltafhængighed. SrTiO ₃ dielektrisk konstant forblev høj nok op til 200 K, og den dielektriske screening forblev praktisk talt upåvirket. For at forstå grænsen for kvantiseret spiralkanttransport, holdet målte forskellige kontaktkonfigurationer ved adskillige magnetfelt- og temperaturværdier for at vise, at kvantiseret spiralformet kanttransport kunne modstå meget høje temperaturer på op til 110 K.

Holdet demonstrerede derefter SrTiO's nøglerolle ₃ dielektrisk substrat under F-fase etablering. På grund af væsentligt reducerede elektron-elektron-interaktioner i en måling med høj dielektrisk konstant, F-fasen opstod som grundtilstand i kontrolforsøgene. Veyrat et al. undersøgte yderligere screeningseffekterne og bidragene i kortrækkende gitterskala af Coulomb og elektron-fonon-interaktioner for at bestemme den energetisk gunstige grundtilstand. De observerede mekanismer vil åbne spændende nye perspektiver. For eksempel, Coulombs energiskala kunne forbedres ved at øge magnetfeltet for at inducere en topologisk kvantefaseovergang fra QHTI (quantum Hall topologiske isolatorer) ferromagnetiske fase til en isolerende, triviel kvante Hall grundtilstand - en type overgang, der hidtil ikke er blevet behandlet.

Fasediagram over den spiralformede kanttransport. (A) To-terminal modstand af prøve BNGrSTO-07 versus back-gate spænding målt ved forskellige temperaturer og et magnetfelt på 4 T. Back-gate spændingen renormaliseres for at kompensere temperaturafhængigheden af substratets dielektriske konstant. (B) To-terminal modstand ved CNP for de samme data som i (A). Indsatsen viser kontaktkonfigurationen brugt i (A) og (B). (C) To-terminal modstand ved CNP versus magnetfelt og temperatur for en anden kontaktkonfiguration vist i indsættelsen. Modstanden viser et plateau ved den forventede værdi for spiralkanttransport (2 3 h e2, farvekodet lysegul) over et stort område af temperaturer og magnetiske felter, det er, op til T =110 K ved B =5 T. Stjernerne angiver de parametre, hvor spiralkanttransport er blevet kontrolleret ved at måle forskellige kontaktkonfigurationer. (Grønne stjerner angiver kvantiseret spiralformet kanttransport, og røde stjerner angiver afvigelse til kvantisering ved CNP.) Den stiplede kurve er en guide for øjet, der viser de omtrentlige grænser for den kvantiserede spiralformede kanttransport af F-fasen. (D) Skematisk af kantspredningen af de nulte Landau-niveau brudt-symmetritilstande, der viser åbningen af et mellemrum ved kanten. (E) Aktiveringsenergi ved ladningsneutralitetspunktet versus magnetfelt målt i prøverne BNGrSTOVH-02 (røde prikker) og BNGrSTO-09 (blå prikker), som har hBN spacere på 5 og 61 nm, henholdsvis. De stiplede linjer er en lineær tilpasning til BNGrSTOVH-02 og en tilpasning af afhængigheden for BNGrSTO-09. Præfaktoren α =64 KT−1/2 svarer til et uordensfrit mellemrum, og opskæringen beskriver uordensudvidelsen af Landau-niveauerne, hvilket stemmer overens med prøvens mobilitet. Kredit:Videnskab, doi:10.1126/science.aax8201

På denne måde Louis Veyrat og kolleger demonstrerede den ferromagnetiske (F) fase i screenet grafen. Opsætningen opstod ved lave magnetiske felter som en prototypisk interaktionsinduceret topologisk fase med robust spiralformet kanttransport. Kantexcitationerne kunne indstilles med magnetiske felter for at studere nul-energi-tilstande i superledningsnærliggende arkitekturer. Metoden til substrat-screening engineering var tunbar på grund af tykkelsen af hBN spaceren brugt i undersøgelsen, holdet forventer derfor, at grundtilstande og optoelektroniske egenskaber for andre korrelerede 2-D-systemer er lige så stærkt påvirket af deres dielektriske miljø.

Sidste artikelSyntetiske synapser ligner mere en rigtig hjerne

Næste artikelOpnåelse og observation af enkeltmolekylemagneter på silicaoverfladen