TBLG -enheten. (A) Optisk mikroskop av enheten. Skalstapel motsvarar 10 µm. (B) Schematisk över en tBLG -heterostruktur. tBLG är inkapslat mellan flingor av hBN, med en fling av få lager grafit som används som en grind. (C) Optisk bild av bunten. Den kristallina kanten av det övre hBN och det översta lagret av tBLG är i linje med en 30 graders vinkelförskjutning i de markerade klyvningsplanen. (D) Optisk bild av bunten före etsning, visar det översta lagret av tBLG (röd streckad linje), bottenlagret av tBLG (vit streckad linje), och den nedre grinden (grön heldragen linje). Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aay5533
Den kvantanomala Hall (QAH) -effekten kan kombinera topologi och magnetism för att producera exakt kvantiserat Hall -motstånd vid noll magnetfält (en miljö noggrant avskärmad från magnetfält). I en ny rapport om Vetenskap , M. Serlin och ett tvärvetenskapligt forskargrupp vid Institutionen för fysik, National Institute of Materials Science och Kavli Institute for Theoretical Physics i USA och Japan detaljerade observationen av en QAH -effekt i vriden tvålagers grafen anpassad till sexkantig bornitrid. De drev effekten via inneboende starka interaktioner, som polariserade elektronerna till ett enda snurr och dallöst moiré miniband (interferensmönster).
När ett magnetfält appliceras i rät vinkel mot strömflödet i en tunn film, ett elektriskt fält som kallas Hall -effekten kan genereras ömsesidigt vinkelrätt mot strömmen och magnetfältet. En avvikande Hall-effekt kräver kombinerad magnetisk polarisering och spin-orbit-koppling i frånvaro av ett externt magnetfält (därav anomalin). När den avvikande Hall -effekten kvantiseras, den är känd som den kvantavvikande Hall -effekten. I motsats till magnetiskt dopade system, transportenergikartan uppmätt av Serlin et al. var större än Curie -temperaturen för magnetisk beställning. Elektriska strömmar så små som 1 nA skulle kunna styra den magnetiska ordningen mellan tillstånd av motsatt polarisation för att bilda ett elektriskt omskrivbart magnetminne.
Fysiker och materialforskare kan klassificera tvådimensionella isolatorer med hjälp av topologin för sina fyllda energiband. I avsaknad av tidsomvändningssymmetri (bevarande av entropi), nontrivial band topologi kan manifestera sig experimentellt som kvantiserad Hall konduktivitet. Forskare motiveras av grundläggande frågor om karaktären av topologiska fasövergångar och deras möjliga tillämpningar inom resistensmetrologi och topologisk kvantberäkning. De har ägnat betydande ansträngningar för att konstruera kvantiserade avvikande Hall -effekter med topologiskt skyddat kvantiserat motstånd i frånvaro av ett applicerat magnetfält. Forskare hade bara hittills observerat QAH -effekter i en smal klass av material som innehåller dopade övergångsmaterial. De dopanta magnetmomenten i dessa material bröt tidsomvändningssymmetri, kombinerat med de starkt spinnbana kopplade elektroniska strukturerna för att producera topologiskt otrivliga Chern-band (energiband).
Kvantiserad avvikande Hall -effekt i tvinnat tvåskiktigt grafen vid 1,6 K. (A) Längsgående motstånd Rxx och Hallresistens Rxy som en funktion av bärartäthet n vid 150 mT. Rxy når h/e2 och Rxx närmar sig noll nära ν =3. Data korrigeras för blandning av Rxx- och Rxy -komponenter genom att symmetrisera med avseende på magnetfält vid B =± 150 mT. (B) Längdmotstånd Rxx och Hallmotstånd Rxy uppmätt vid n =2,37 × 10^12 cm − 2 som en funktion av B. Data korrigeras för blandning med kontaktsymmetrisering. Sopa riktningar indikeras med pilar. (C) Hallmotstånd Rxy som funktion av magnetfält B och densitet n. Hysteres -slingor är skuggade för klarhet. Bakväggen visar fältutbildningssymmetriserade värden för Rxy vid B =0. Rxy (0) blir noll när ferromagnetism dyker upp och når en platå av h/e2 nära en densitet av n =2,37 × 10^12 cm − 2. (D) Schematisk bandstruktur vid full fyllning av en moiré -enhetscell (ν =4) och ν =3. Nettot Chern -nummer Cnet ≠ 0 vid ν =3. Kredit:Science, doi:10.1126/science.aay5533.
Prestanda för dessa material är, dock, begränsad av den inhomogena fördelningen av magnetiska dopningsmedel (tillsatser), leder till strukturella, laddning och magnetisk störning i mikroskala. Den resulterande kvantiseringen sker därför vid temperaturer som är ungefär en storleksordning mindre än den magnetiska ordningstemperaturen. För att konstruera inneboende kvantanomala Hall -effekter, moiré grafen heterostrukturer ger två viktiga ingredienser; topologiska band och starka korrelationer. Till exempel, i hexagonal bornitrid (hBN) och vriden flerlagers grafen, moiré -mönster genererar generiskt band med ändligt Chern -nummer, där tidsomvändningssymmetri för enkelpartikelbandstrukturen kan verkställas genom att avbryta Chern -tal i motsatta grafendaler. Till exempel, i specifika heterostrukturer som tvinnat tvåskiktigt grafen (tBLG) med en mellanlagers vridningsvinkel och rombohedral grafen i linje med hBN, bandbredden för Chern -band kan göras exceptionellt liten. Forskare har visat tillstånd av magnetisk hysteres (avvikelse från det teoretiska värdet) i förhållande till tidsomvändningssymmetri som bryter i tBLG- och hBN-heterostrukturer för att visa stora avvikande Hall-effekter.
I det nuvarande arbetet, Serlin et al. observerade en QAH (kvantanomalisk Hall) -effekt som visar en robust magnetfältskvantisering i ett tBLG (vridat tvåskiktigt grafen) -prov med platt band i linje med hBN (hexagonal bornitrid). De beskrev den elektroniska strukturen för plattbandet tBLG via två distinkta band per snurr och dalprojektion isolerade från högre energidispersiva band med ett energigap. De platta banden hade en total kapacitet på åtta elektroner per cell, forskargruppen definierade bandfyllningsfaktorn som ν =nA m , där n motsvarade elektrontätheten och A m motsvarade en yta på 130 nm 2 i moiré -enhetscellen.
Temperaturberoende för den kvantanomala Hall -effekten. (A) Rxy och (B) Rxx som funktion av B mätt vid olika temperaturer för n =2,37 × 1012 cm − 2. Rxx- och Rxy -blandning korrigerades med användning av kontaktsymmetrisering. (C) Temperaturberoende för fältträningens symmetrerade motstånd xy R vid B =0, som beskrivs i huvudtexten. Curie -temperaturen bestämdes till TC ≈ 7,5 (0,5) K med hjälp av en Arrott -plotanalys. Insats:detaljerat lågtemperaturberoende av avvikelsen för xy R från det kvantiserade värdet vid B =0. Felstaplar är standardfelet som härleds från 11 på varandra följande mätningar. xy R mättar under ≈3 K till ett värde som bestäms genom medelvärdet av punkterna mellan 2 och 2,7 K. (D) Arrhenius -diagram av fältträningssymmetriserade motstånd vid B =0. Prickade linjer anger representativa aktiveringsanpassningar. Systematisk behandling av osäkerhet som härrör från frånvaron av en enda aktiverad regim ger Δ =31 ± 11 K och 26 ± 4 K. Credit:Science, doi:10.1126/science.aay5533
Teamet registrerade längsgående och Hall -motståndet vid ett magnetfält (B) på 150 mT och temperaturen (T) på 1,6 K, som en funktion av laddningstäthet över hela plattbandet. De observerade Hall -resistiviteten som hysterisk (eftersläpning som svar på förändrade förhållanden) och resultaten visade att ett QAH -tillstånd stabiliserades genom spontant bruten tidsomvändningssymmetri. Forskarna observerade bara det kvantiserade svaret för ett visst val av kontakter vid ett specifikt fack på enheten. Den observerade magnetismen uppstod från grafenbandens 2-D-natur. Serlin et al. tekniskt anpassade enheten till ett av hBN -lagren och baserat på observationerna, förutspådde att de hBN -anpassade proverna skulle utgöra en annan klass av tBLG -enheter med distinkt fenomenologi.
När temperaturen i systemet ökade, forskarna observerade en avvikelse från resistenskvantisering och undertryckande av hysteres med Hall -effekten för att demonstrera linjärt beteende i fältet vid 12 K. De observerade ändlig hysteres upp till temperaturer på 8 K, överensstämmer med Curie -temperaturen (T C =7,5 K). Därefter, att kvantitativt bedöma energivågorna som är associerade med QAH -staterna, laget mätte aktiveringsenergin vid en lägre temperatur. De noterade att aktiveringsenergin var flera gånger större än T C , i motsats till magnetiskt dopade isolatorfilmer där aktiveringsgapen typiskt var 10 till 50 gånger mindre än T C.
Strömstyrd magnetisk omkoppling. (A) Rxy som en funktion av applicerad likström, visar hysteres som en funktion av DC -ström analog med svaret på ett applicerat magnetfält vid 6,5 K. Insets:schematiska illustrationer av strömstyrd orbital magnetism. (B) Icke flyktig elektrisk skrivning och avläsning av en magnetbit vid T =6,5 K och B =0. En följd av 20 nA strömpulser av alternerande tecken vänder kontrollen magnetiseringen, som läses upp med hjälp av Hallmotståndet. Bitens magnetiseringstillstånd är stabilt i minst 103 s (29). (C) Rxy som en funktion av både DC -förspänningsström och magnetfält vid 7 K. Motsatt riktning av DC -ström stabiliserar företrädesvis motsatta magnetiseringstillstånd för biten. Mätningar som presenteras i (A till C) är varken fält- eller Onsager -symmetrerade, varför det finns en förskjutning i Rxy. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aay5533
Eftersom de ferromagnetiska domänerna i tBLG starkt kan interagera med applicerad ström för att möjliggöra deterministisk kontroll inom enheten för domänpolarisering med exceptionellt små DC -strömmar. I det nuvarande arbetet, de applicerade likströmmarna drev omkoppling liknande den som observerades i ett applicerat magnetfält, att producera hysterisk växling mellan magnetiseringstillstånd. Serlin et al. också erhållit deterministisk icke-flyktig elektrisk skrivning och avläsning av en magnetbit med hjälp av en följd av 20 nA strömpulser för att styra reversera magnetiseringen, följt av en avläsning med hjälp av den stora resulterande förändringen i Hallmotståndet. Den absoluta storleken på strömmen som krävs för att växla magnetiseringstillståndet för systemet ungefär 10 -9 A, betydligt mindre än vad som rapporterats i något tidigare system.
Baserat på resultaten, laget föreslog en enkel mekanism för att förklara den observerade lågströmskopplingen som uppstod från samspelet mellan kanttillståndsfysik och enhetens asymmetri. Följaktligen, i ett QAH -system (quantum anomalous Hall), en applicerad ström kan generera en kemisk potentialskillnad mellan de kirala endimensionella lägen som ligger på motsatta provkanter. När kanterna har olika längder eller hastigheter, strömmen gynnade en av de två domänerna där tecknet och storleken på effekten bestämdes enligt anordningens symmetri. På det här sättet, M. Serlin och kollegor noterade att den observerade effekten är generisk för alla QAH -system och sannolikt kommer att vara dominant vid låga strömmar i tBLG på grund av svag fästning av magnetiska domäner och små enhetsdimensioner. Arbetet ger en teknisk parameter för elektrisk styrning av domänstruktur, som kan kodas deterministiskt i enhetens geometri.
© 2020 Science X Network
