Spin-polariserad ferromagnetisk fas i grafen på högk-dielektrikum. (A) I den ferromagnetiska fasen av laddningsneutral grafen, det brutna symmetritillståndet för den halvfyllda nollte Landau-nivån är spinnpolariserad och upptar båda undergittren i bikakegittret, som visas i infällningen. Kantspridningen är ett resultat av linjära kombinationer av bulk isospintillstånden, som sprids som elektronliknande och hålliknande grenar, ger ett par motförökande, spinnfiltrerade spiralformade kantkanaler vid laddningsneutralitet. Röda och blå pilar representerar spinpolariseringen av undernivåerna. (B) Schematisk bild av ett grafengitter med spiralformade kantkanaler som fortplantar sig på den kristallografiska fåtöljkanten. (C) Schematisk över den hBN-inkapslade grafenenheten placerad på ett SrTiO3-substrat som fungerar både som en hög-dielektrisk konstant miljö och en back-gate-dielektrikum. På grund av den avsevärda dielektricitetskonstanten (er ~ 10, 000) av SrTiO3-substratet vid låg temperatur och den ultratunna hBN-distansen (2 till 5 nm tjock), Coulomb-interaktion i grafenplanet är väsentligen screenad, vilket resulterar i en modifiering av kvant-Hall-grundtillståndet vid laddningsneutralitet och uppkomsten av den ferromagnetiska fasen med spiralformad kanttransport. Den förstorade vyn visar atomlager av den hBN-inkapslade grafen van der Waals-enheten och ytatomstrukturen hos SrTiO3. Kreditera: Vetenskap , doi:10.1126/science.aax8201
Material som uppvisar topologiska faser kan klassificeras efter deras dimensionalitet, symmetrier och topologiska invarianter för att bilda konduktiva kanttillstånd med speciella transport- och spinnegenskaper. Till exempel, kvanthalleffekten kan uppstå i tvådimensionella (2-D) elektronsystem som utsätts för ett vinkelrät magnetfält. När distinkta egenskaper hos quantum Hall-system jämförs med tidsreverserande symmetriska (entropibevarade) topologiska isolatorer (TI), de verkar förlita sig på Coulomb-interaktioner mellan elektroner för att inducera en mängd starkt korrelerade, topologiskt eller symmetriprojekterade faser i en mängd olika experimentella system.
I en ny rapport nu på Vetenskap , Louis Veyrat och ett forskarteam inom materialvetenskap, kvantoptik och optoelektronik i Frankrike, Kina och Japan justerade grundtillståndet för grafen noll Landau-nivå, dvs orbitaler upptagna av laddade partiklar med diskreta energivärden. Med hjälp av lämplig screening av Coulomb-interaktionen med den höga dielektricitetskonstanten hos ett strontiumtitanat (SrTiO) 3 ) substrat, de observerade robust spiralkantstransport vid magnetfält så låga som 1 Tesla, tål temperaturer på upp till 110 kelvin över mikronlånga avstånd. Dessa mångsidiga grafenplattformar kommer att ha tillämpningar inom spintronik och topologiska kvantberäkningar.
Topologiska isolatorer (TI), dvs. ett material som beter sig som en isolator i sitt inre men behåller ett ledande yttillstånd, med noll Chern-tal har dykt upp som kvanthall-topologiska isolatorer (QHTIs) som härrör från Landau-nivåer som interagerar med många kroppar. De kan avbildas som två oberoende kopior av quantum Hall-system med motsatt kiralitet, men det experimentella systemet är i strid med det beskrivna scenariot, där ett starkt isolerande tillstånd observeras vid ökning av det vinkelräta magnetfältet i laddningsneutral, grafenenheter med hög rörlighet.
Grafen enheter. Optiska bilder av olika prover. De röda linjerna understryker kanterna på de hBN-inkapslade grafenflingorna. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aax8201
Den experimentella bildningen av den ferromagnetiska (F) fasen (F-fasen) i grafen hindras därför potentiellt av sådana elektron-elektron- och elektron-fonon-interaktioner i gitterskala. För att övervinna detta, forskare hade tidigare använt en mycket stark magnetfältskomponent i planet högre än 30 Tesla för att överträffa anisotropa interaktioner, tillåta F-fasen att experimentellt uppstå i grafen. I en annan strategi använde de tvålager av grafen som var värd för två olika kvanthallstillstånd av motsatta laddningsbärartyper, men de led av ett opraktiskt starkt och lutande magnetfält eller komplexiteten i materialsammansättningen. Som ett resultat, i detta arbete Veyrat et al. använde ett annat tillvägagångssätt för att inducera F-fasen i monolager grafen. Istället för att öka Zeeman-energin eller Zeeman-effekten, d.v.s. dela en spektrallinje med hjälp av ett magnetfält för att övervinna anisotropa interaktioner, de modifierade interaktioner i gitterskala i förhållande till Coulomb-interaktioner för att återställa den dominerande rollen för de spinnpolariserande termerna och inducera F-fasen.
Kvantspin Hall-effekt med låg magnetfält. (A) Tvåpolsresistans R2t i enheter av h/e2 av provet BNGrSTO-07 kontra magnetfält och back-gate-spänning uppmätt vid 4 K. Förutom standardkvanthallplatåer vid fyllnadsfraktionerna n =1 och 2, motståndet uppvisar en anomal platå runt laddningsneutralitetspunkten mellan B =1,5 och 4 T, avgränsad av de svarta streckade linjerna och den dubbelhövdade pilen, som signalerar regimen för QSH-effekten i detta prov. Värdet på motståndet på denna platå är h/e2 och är färgkodad vit. Det infogade schemat indikerar kontaktkonfigurationen. Svarta kontakter flyter. De röda och blå pilarna på de spiralformade kantkanalerna indikerar riktningen för strömmen mellan kontakterna, och A anger amperemätaren. (B) Två-terminal konduktans G2t =1/R2t i enheter av e2/h kontra back-gate spänning extraherad från (A) vid olika magnetfält. De första konduktansplatåerna för kvant-Hall-effekten vid 2e2/h och 6e2/h är väldefinierade. QSH-platån av konduktans e2/h framträder tydligt vid laddningsneutralitet runt Vbg =0 V. (C) Motstånd vid laddningsneutralitetspunkten (CNP) kontra magnetfält för prov BNGrSTO-07 (röda prickar) extraherat från (A) och prov BNGrSTO-09 (blå prickar). Det senare provet har en tjock hBN-distans och uppvisar en stark positiv magnetoresistans vid lågt magnetfält som divergerar mot isolering; provet med den tunna hBN-distansen (BNGrSTO-07) visar en QSH-platå som består upp till ~4 T, följt av en resistansökning vid högre magnetfält. W, ohm. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aax8201
För detta, de använde kvantparaelektriskt strontiumtitanat (SrTiO 3 ), känd för att uppvisa en stor statisk dielektricitetskonstant (D≈10 4 ) vid låga temperaturer. Installationen ändrade så småningom grundtillståndet för grafen vid laddningsneutralitet. Veyrat et al. åstadkom detta genom att konstruera grafenheterostrukturer med hög rörlighet baserade på hexagonal bornitrid (hBN) inkapsling och observerade lätt uppkomsten av F-fasen i en skärmad konfiguration. Genom att ändra källan för elektroner och dräneringskontakter (elektronflöden) i installationen, och antalet spiralformade kantsektioner, de observerade spiralformad kanttransport. Veyrat et al. observerade också samtidiga mätningar av resistanser med två terminaler och icke-lokalt motstånd samtidigt som man höll samma käll- och avledningsströminsprutningskontakter för att demonstrera strömflödet på provets kanter.
Icke-lokal spiralformad kanttransport. (A) Tvåpolsresistans kontra back-gate-spänning uppmätt vid 2,5 T och 4 K för olika kontaktkonfigurationer schematiserade i (B). Insatsen visar en optisk bild av det uppmätta provet BNGrSTO-07. Skalstången är 4 mm. Varje kontaktkonfiguration ger ett motstånd vid laddningsneutralitet som når de förväntade värdena för spiralkanttransport, som indikeras med de horisontella streckade linjerna. (B) Schema över mätkonfigurationerna. Svarta kontakter flyter. De röda och blå pilarna på de spiralformade kantkanalerna indikerar riktningen för strömmen mellan kontakterna. (C) Tvåpolsmotstånd, R2t, i blått och icke-lokalt, fyrterminalsmotstånd, RNL, i rött kontra back-gate spänning i kontaktkonfigurationen som visas i det infällda schemat. I schemat, V anger voltmetern. (D) Motstånd vid CNP, Vbg =0 V, i samma kontaktkonfiguration som i (C) mot magnetfält. Den spiralformade platån observeras för både två- och fyrterminalsmotstånd mellan 1 T och cirka 6 T. Kredit:Science, doi:10.1126/science.aax8201
För att undersöka robustheten hos spiralkanttransport, teamet genomförde systematiska studier av dess temperatur- och magnetfältsberoende. SrTiO 3 dielektrisk konstant förblev tillräckligt hög upp till 200 K, och den dielektriska screeningen förblev praktiskt taget opåverkad. För att förstå gränsen för kvantiserad spiralkanttransport, teamet mätte olika kontaktkonfigurationer vid flera magnetfält och temperaturvärden för att visa att kvantiserad spiralformad kanttransport kunde motstå mycket höga temperaturer på upp till 110 K.
Teamet visade sedan SrTiO:s nyckelroll 3 dielektriskt substrat under F-fasetablering. På grund av avsevärt minskade elektron-elektron-interaktioner i en mätning med hög dielektrisk konstant, F-fasen uppstod som ett grundtillstånd i kontrollexperimenten. Veyrat et al. undersökte ytterligare screeningseffekterna och kortdistansgitterskalabidragen från Coulomb och elektron-fonon-interaktioner för att bestämma det energetiskt gynnsamma grundtillståndet. De observerade mekanismerna kommer att öppna spännande nya perspektiv. Till exempel, Coulombs energiskalan skulle kunna förbättras genom att öka magnetfältet för att inducera en topologisk kvantfasövergång från QHTI (quantum Hall topologiska isolatorer) ferromagnetiska fas till en isolerande, trivial quantum Hall-grundtillstånd – en typ av övergång som hittills inte behandlats mycket.
Fasdiagram över den spiralformade kanttransporten. (A) Tvåpolsresistans för provet BNGrSTO-07 kontra back-gate-spänning uppmätt vid olika temperaturer och ett magnetfält på 4 T. Back-gate-spänningen renormaliseras för att kompensera temperaturberoendet för substratets dielektriska konstant. (B) Tvåterminalsresistans vid CNP för samma data som i (A). Infogningen visar kontaktkonfigurationen som används i (A) och (B). (C) Tvåpolsresistans vid CNP kontra magnetfält och temperatur för en annan kontaktkonfiguration som visas i insatsen. Motståndet visar en platå vid det förväntade värdet för spiralformad kanttransport (2 3 h e2 , färgkodad ljusgul) över ett stort område av temperaturer och magnetfält, det är, upp till T =110 K vid B =5 T. Stjärnorna indikerar parametrarna vid vilka spiralkanttransport har kontrollerats genom att mäta olika kontaktkonfigurationer. (Gröna stjärnor indikerar kvantiserad spiralkantstransport, och röda stjärnor indikerar avvikelse till kvantisering vid CNP.) Den streckade kurvan är en guide för ögat som visar de ungefärliga gränserna för den kvantiserade spiralformade kanttransporten av F-fasen. (D) Schematisk över kantspridningen av de nollte Landau-nivåns brutna symmetritillstånd som visar öppningen av ett gap vid kanten. (E) Aktiveringsenergi vid laddningsneutralitetspunkten kontra magnetfält uppmätt i proverna BNGrSTOVH-02 (röda prickar) och BNGrSTO-09 (blå prickar), som har hBN-distanser på 5 och 61 nm, respektive. De streckade linjerna är en linjär passning för BNGrSTOVH-02 och en passning av beroendet för BNGrSTO-09. Prefaktorn α =64 KT−1/2 motsvarar ett störningsfritt gap, och avlyssningen beskriver störningsbreddningen av Landau-nivåerna, vilket överensstämmer med provets rörlighet. Kredit:Vetenskap, doi:10.1126/science.aax8201
På det här sättet, Louis Veyrat och kollegor visade den ferromagnetiska (F) fasen i skärmad grafen. Uppställningen uppstod vid låga magnetfält som en prototypisk interaktionsinducerad topologisk fas med robust spiralkanttransport. Kantexcitationerna var avstämbara med magnetfält för att studera nollenergilägen i superledningsnära arkitekturer. Metoden för substratscreeningsteknik var avstämbar på grund av tjockleken på hBN-distansen som användes i studien, the team therefore expect the ground states and optoelectronic properties of other correlated 2-D systems to be as strongly influenced by their dielectric environment.
© 2020 Science X Network
