Il dispositivo tBLG. (A) Micrografia ottica del dispositivo. La barra della scala corrisponde a 10 µm. (B) Schema di un'eterostruttura tBLG. tBLG è incapsulato tra scaglie di hBN, con una scaglia di grafite a pochi strati utilizzata come gate. (C) Immagine ottica dello stack. Il bordo cristallino dell'hBN superiore e lo strato superiore di tBLG sono allineati con un offset angolare di 30 gradi nei piani di scissione marcati. (D) Immagine ottica della pila prima dell'incisione, che mostra lo strato superiore del tBLG (linea rossa tratteggiata), strato inferiore del tBLG (linea tratteggiata bianca), e il cancello inferiore (linea continua verde). Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aay5533
L'effetto Hall anomalo quantistico (QAH) può combinare topologia e magnetismo per produrre una resistenza Hall quantizzata con precisione a campo magnetico zero (un ambiente accuratamente schermato dai campi magnetici). In un recente rapporto su Scienza , M. Serlin e un gruppo di ricerca interdisciplinare del Dipartimento di Fisica, Il National Institute of Materials Science e il Kavli Institute for Theoretical Physics negli Stati Uniti e in Giappone hanno dettagliato l'osservazione di un effetto QAH nel grafene a doppio strato ritorto allineato al nitruro di boro esagonale. Hanno guidato l'effetto tramite interazioni forti intrinseche, che ha polarizzato gli elettroni in una singola minibanda moiré risolta con spin e valle (schema di interferenza).
Quando un campo magnetico viene applicato perpendicolarmente al flusso di corrente in un film sottile, un campo elettrico noto come effetto Hall può essere generato reciprocamente perpendicolarmente alla corrente e al campo magnetico. Un effetto Hall anomalo richiede polarizzazione magnetica combinata e accoppiamento spin-orbita in assenza di un campo magnetico esterno (da qui l'anomalia). Quando l'effetto Hall anomalo è quantizzato, è noto come effetto Hall anomalo quantistico. A differenza dei sistemi drogati magneticamente, la mappa dell'energia dei trasporti misurata da Serlin et al. era maggiore della temperatura di Curie per l'ordinamento magnetico. Correnti elettriche di appena 1 nA potrebbero commutare in modo controllabile l'ordine magnetico tra stati di polarizzazione opposta per formare una memoria magnetica riscrivibile elettricamente.
Fisici e scienziati dei materiali possono classificare gli isolanti bidimensionali utilizzando la topologia delle loro bande di energia riempite. In assenza di simmetria di inversione temporale (conservazione dell'entropia), La topologia a banda non banale può manifestarsi sperimentalmente come conduttività di Hall quantizzata. I ricercatori sono motivati da domande fondamentali sulla natura delle transizioni di fase topologiche e sulle loro possibili applicazioni nella metrologia della resistenza e nel calcolo quantistico topologico. Hanno dedicato sforzi significativi per progettare effetti Hall anomali quantizzati con resistenza quantizzata topologicamente protetta in assenza di un campo magnetico applicato. Finora gli scienziati avevano osservato gli effetti della QAH solo in una ristretta classe di materiali contenenti materiali di transizione drogati. I momenti magnetici droganti in questi materiali hanno rotto la simmetria di inversione del tempo, combinato con le strutture elettroniche fortemente accoppiate spin-orbita per produrre bande di Chern topologicamente non banali (bande di energia).
Effetto Hall anomalo quantizzato in grafene a doppio strato ritorto a 1,6 K. (A) Resistenza longitudinale Rxx e resistenza di Hall Rxy in funzione della densità del portatore n a 150 mT. Rxy raggiunge h/e2 e Rxx si avvicina a zero vicino a ν =3. I dati vengono corretti per la miscelazione dei componenti Rxx e Rxy mediante simmetrizzazione rispetto al campo magnetico a B =±150 mT. (B) Resistenza longitudinale Rxx e resistenza di Hall Rxy misurata a n =2,37 × 10^12 cm-2 in funzione di B. I dati vengono corretti per la miscelazione utilizzando la simmetrizzazione del contatto. Le direzioni di scansione sono indicate da frecce. (C) Resistenza di Hall Rxy in funzione del campo magnetico B e della densità n. Le aree del ciclo di isteresi sono ombreggiate per maggiore chiarezza. La parete posteriore mostra i valori simmetrizzati di addestramento sul campo di Rxy a B =0. Rxy(0) diventa diverso da zero quando appare il ferromagnetismo e raggiunge un plateau di h/e2 vicino a una densità di n =2,37 × 10^12 cm-2. (D) Struttura schematica della banda a riempimento completo di una cella unitaria moiré (ν =4) e ν =3. Il numero netto di Chern Cnet ≠ 0 a ν =3. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aay5533.
Le prestazioni di questi materiali sono, però, limitato dalla distribuzione disomogenea di droganti magnetici (additivi), portando a strutture, carica e disordine magnetico alla microscala. La quantizzazione risultante avviene quindi a temperature che sono approssimativamente di un ordine di grandezza inferiori alla temperatura di ordinamento magnetico. Per progettare effetti di Hall anomali quantistici intrinseci, le eterostrutture di grafene moiré forniscono due ingredienti essenziali; bande topologiche e forti correlazioni. Ad esempio, in nitruro di boro esagonale (hBN) e grafene multistrato ritorto, i motivi moiré producono genericamente bande con numero di Chern finito, dove la simmetria di inversione temporale della struttura a bande delle singole particelle può essere applicata annullando i numeri di Chern nelle valli opposte del grafene. Per esempio, in specifiche eterostrutture come il grafene a doppio strato ritorto (tBLG) con un angolo di torsione interstrato e il grafene romboedrico allineato a hBN, la larghezza di banda delle bande di Chern può essere resa eccezionalmente piccola. Gli scienziati hanno dimostrato gli stati di isteresi magnetica (deviazione dal valore teorico) relativi alla rottura della simmetria di inversione temporale nelle eterostrutture tBLG e hBN per mostrare grandi effetti Hall anomali.
Nel presente lavoro, Serlin et al. osservato un effetto QAH (quantum anomalo Hall) che mostra una robusta quantizzazione del campo magnetico in un campione tBLG (grafene a doppio strato intrecciato) a banda piatta allineato a hBN (nitruro di boro esagonale). Hanno descritto la struttura elettronica del tBLG a banda piatta tramite due bande distinte per proiezione di spin e valle isolate dalle bande di dispersione di energia più elevate da un gap energetico. Le bande piatte avevano una capacità totale di otto elettroni per cella unitaria, il gruppo di ricerca ha definito il fattore di riempimento della banda come ν =nA m , dove n è uguale alla densità elettronica e A m eguagliato un'area di 130 nm 2 all'interno della cella unitaria moiré.
Dipendenza dalla temperatura dell'effetto Hall anomalo quantistico. (A) Rxy e (B) Rxx in funzione di B misurato a varie temperature per n =2,37 × 1012 cm-2. La miscelazione Rxx e Rxy è stata corretta utilizzando la simmetrizzazione del contatto. (C) Dipendenza dalla temperatura della resistenza simmetrica dell'allenamento sul campo xy R a B =0, come descritto nel testo principale. La temperatura di Curie è stata determinata essere TC ≈ 7,5(.5) K utilizzando un'analisi del diagramma di Arrott. Riquadro:dipendenza dettagliata a bassa temperatura della deviazione di xy R dal valore quantizzato a B =0. Le barre di errore sono l'errore standard derivato da 11 misurazioni consecutive. xy R satura al di sotto di ≈3 K a un valore determinato dalla media dei punti tra 2 e 2,7 K. (D) Arrhenius grafici delle resistenze simmetriche di allenamento sul campo a B =0. Le linee tratteggiate indicano accoppiamenti di attivazione rappresentativi. Il trattamento sistematico dell'incertezza derivante dall'assenza di un singolo regime attivato dà Δ =31 ± 11 K e 26 ± 4 K. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aay5533
Il team ha registrato la resistenza longitudinale e di Hall a un campo magnetico (B) di 150 mT e una temperatura (T) di 1,6 K, in funzione della densità di carica su tutta la banda piatta. Hanno osservato che la resistività di Hall è isteretica (ritardo in risposta a condizioni mutevoli) e i risultati hanno mostrato uno stato QAH stabilizzato dalla simmetria di inversione temporale rotta spontaneamente. Gli scienziati hanno osservato solo la risposta quantizzata per una particolare scelta di contatti in un compartimento specifico del dispositivo. Il magnetismo osservato è nato dalla natura 2-D delle bande di grafene. Serlin et al. tecnicamente allineato il dispositivo a uno degli strati hBN e in base alle osservazioni, ha previsto che i campioni allineati con hBN costituissero una diversa classe di dispositivi tBLG con fenomenologia distinta.
All'aumentare della temperatura del sistema, gli scienziati hanno osservato un allontanamento dalla quantizzazione della resistenza e la soppressione dell'isteresi con l'effetto Hall per dimostrare un comportamento lineare nel campo a 12 K. Hanno osservato un'isteresi finita fino a temperature di 8 K, coerente con la temperatura di Curie (T C =7,5K). Successivamente, valutare quantitativamente le scale energetiche associate agli stati QAH, il team ha misurato l'energia di attivazione a una temperatura più bassa. Hanno notato che l'energia di attivazione è parecchie volte più grande di T C , in contrasto con i film isolanti drogati magneticamente in cui le lacune di attivazione erano tipicamente da 10 a 50 volte inferiori a T C.
Commutazione magnetica controllata in corrente. (A) Rxy in funzione della corrente CC applicata, che mostra l'isteresi in funzione della corrente continua analoga alla risposta a un campo magnetico applicato a 6,5 K. Riquadri:illustrazioni schematiche del magnetismo orbitale controllato dalla corrente. (B) Scrittura e lettura elettrica non volatile di un bit magnetico a T =6,5 K e B =0. Una successione di impulsi di corrente di 20 nA di segni alternati inverte in modo controllabile la magnetizzazione, che viene letto usando la resistenza di Hall. Lo stato di magnetizzazione del bit è stabile per almeno 103 s (29). (C) Rxy in funzione sia della corrente di polarizzazione CC che del campo magnetico a 7 K. Le direzioni opposte della corrente CC stabilizzano preferenzialmente gli stati di magnetizzazione opposti del bit. Le misurazioni presentate in (da A a C) non sono né campo né Onsager simmetrizzate, qual è il motivo per cui c'è un offset in Rxy. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aay5533
Poiché i domini ferromagnetici in tBLG possono interagire fortemente con la corrente applicata per consentire il controllo deterministico all'interno del dispositivo per la polarizzazione del dominio con correnti CC eccezionalmente piccole. Nel presente lavoro, le correnti CC applicate hanno determinato una commutazione simile a quella osservata in un campo magnetico applicato, per produrre commutazione isteretica tra stati di magnetizzazione. Serlin et al. ottenuto anche la scrittura elettrica non volatile deterministica e la lettura di un bit magnetico utilizzando una successione di impulsi di corrente di 20 nA per invertire in modo controllabile la magnetizzazione, seguito da una lettura utilizzando il grande cambiamento risultante nella resistenza di Hall. L'ampiezza assoluta della corrente richiesta per commutare lo stato di magnetizzazione del sistema è approssimata a 10 -9 UN, notevolmente inferiore a quello riportato in qualsiasi sistema precedente.
In base ai risultati, il team ha proposto un semplice meccanismo per spiegare la commutazione a bassa corrente osservata che è sorta dall'interazione tra la fisica dello stato del bordo e l'asimmetria del dispositivo. Di conseguenza, in un sistema QAH (quantum anomalo Hall), una corrente applicata può generare una differenza di potenziale chimico tra i modi unidimensionali chirali situati sui bordi del campione opposti. Quando i bordi hanno lunghezze o velocità diverse, la corrente privilegiava uno dei due domini in cui il segno e l'intensità dell'effetto erano determinati secondo la simmetria del dispositivo. In questo modo, M. Serlin e colleghi hanno notato che l'effetto osservato è generico per tutti i sistemi QAH e probabilmente dominante a basse correnti in tBLG a causa del debole pinning dei domini magnetici e delle piccole dimensioni del dispositivo. Il lavoro fornisce un parametro ingegneristico per il controllo elettrico della struttura del dominio, che può essere codificato in modo deterministico nella geometria del dispositivo.
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