Fase ferromagnetica spin-polarizzata in grafene su dielettrico ad alto k. (A) Nella fase ferromagnetica del grafene a carica neutra, lo stato di rottura di simmetria del livello zero di Landau riempito a metà è polarizzato in spin e occupa entrambi i sottoreticoli del reticolo a nido d'ape, come mostrato nell'inserto. La dispersione dei bordi risulta da combinazioni lineari degli stati di isospin bulk, che si disperdono come rami simili a elettroni e simili a lacune, producendo un paio di contropropagativi, canali di bordo elicoidali filtrati per spin a neutralità di carica. Le frecce rosse e blu rappresentano la polarizzazione di spin dei sottolivelli. (B) Schema di un reticolo di grafene con canali di bordo elicoidali che si propagano sul bordo della poltrona cristallografica. (C) Schema del dispositivo di grafene incapsulato con hBN posizionato su un substrato SrTiO3 che funge sia da ambiente ad alta costante dielettrica che da dielettrico di back-gate. A causa della notevole costante dielettrica (er ~ 10, 000) del substrato SrTiO3 a bassa temperatura e del distanziatore hBN ultrasottile (spessore da 2 a 5 nm), L'interazione di Coulomb nel piano del grafene è sostanzialmente schermata, con conseguente modifica dello stato fondamentale di Hall quantistico a neutralità di carica e l'emergere della fase ferromagnetica con trasporto di bordo elicoidale. La vista ingrandita mostra gli strati atomici dell'assieme di grafene van der Waals incapsulato con hBN e la struttura atomica superficiale di SrTiO3. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aax8201
I materiali che presentano fasi topologiche possono essere classificati in base alla loro dimensionalità, simmetrie e invarianti topologici per formare stati conduttori con peculiari proprietà di trasporto e spin. Per esempio, l'effetto Hall quantistico può verificarsi in sistemi elettronici bidimensionali (2-D) soggetti a un campo magnetico perpendicolare. Quando le caratteristiche distinte dei sistemi di Hall quantistica vengono confrontate con gli isolanti topologici (TI) simmetrici ad inversione temporale (conservata entropia), sembrano fare affidamento sulle interazioni di Coulomb tra gli elettroni per indurre una ricchezza di fasi topologicamente o simmetriche in una varietà di sistemi sperimentali.
In un nuovo rapporto ora su Scienza , Louis Veyrat e un gruppo di ricerca nella scienza dei materiali, ottica quantistica e optoelettronica in Francia, Cina e Giappone hanno sintonizzato lo stato fondamentale del livello zero di Landau del grafene, cioè orbitali occupati da particelle cariche con valori energetici discreti. Utilizzando un opportuno screening dell'interazione di Coulomb con l'elevata costante dielettrica di un titanato di stronzio (SrTiO 3 ) substrato, hanno osservato un robusto trasporto del bordo elicoidale a campi magnetici a partire da 1 Tesla, resistere a temperature fino a 110 kelvin su lunghe distanze micron. Queste versatili piattaforme di grafene avranno applicazioni nella spintronica e nel calcolo quantistico topologico.
Isolatori topologici (TI), cioè., un materiale che si comporta come un isolante al suo interno ma mantiene uno stato superficiale conduttivo, con numero di Chern zero sono emersi come isolanti topologici di Hall quantistica (QHTI) derivanti da livelli di Landau interagenti a molti corpi. Possono essere rappresentati come due copie indipendenti di sistemi di Hall quantistica con chiralità opposta, ma il sistema sperimentale è in contrasto con lo scenario descritto, dove si osserva un forte stato isolante all'aumentare del campo magnetico perpendicolare in carica neutra, dispositivi al grafene ad alta mobilità.
Dispositivi al grafene. Immagini ottiche di diversi campioni. Le linee rosse sottolineano i bordi dei fiocchi di grafene incapsulati con hBN. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aax8201
La formazione sperimentale della fase ferromagnetica (F) (fase F) nel grafene è quindi potenzialmente ostacolata da tali interazioni elettrone-elettrone ed elettrone-fonone su scala reticolare. Per superare questo, gli scienziati avevano precedentemente applicato un componente del campo magnetico nel piano molto forte superiore a 30 Tesla per superare le interazioni anisotrope, permettendo alla fase F di emergere sperimentalmente nel grafene. In un'altra strategia hanno utilizzato doppi strati di grafene che ospitano due diversi stati quantistici di Hall di tipi di portatori di carica opposti, ma soffrivano di un campo magnetico poco forte e inclinato o della complessità dell'assemblaggio dei materiali. Di conseguenza, in questo lavoro Veyrat et al. ha utilizzato un approccio diverso per indurre la fase F nel grafene monostrato. Invece di aumentare l'energia Zeeman o l'effetto Zeeman, cioè dividere una linea spettrale usando un campo magnetico per superare le interazioni anisotrope, hanno modificato le interazioni su scala reticolare relative alle interazioni di Coulomb per ripristinare il ruolo dominante dei termini di polarizzazione dello spin e indurre la fase F.
Effetto Hall di spin quantistico a basso campo magnetico. (A) Resistenza a due terminali R2t in unità di h/e2 del campione BNGrSTO-07 rispetto al campo magnetico e alla tensione di back-gate misurata a 4 K. Oltre agli altipiani di Hall quantistici standard alle frazioni di riempimento n =1 e 2, la resistenza presenta un plateau anomalo attorno al punto di neutralità di carica compreso tra B =1,5 e 4 T, delimitato dalle linee tratteggiate nere e dalla freccia a due punte, che segnala il regime dell'effetto QSH in questo campione. Il valore della resistenza a questo plateau è h/e2 ed è codificato a colori bianco. Lo schema nel riquadro indica la configurazione dei contatti. I contatti neri fluttuano. Le frecce rosse e blu sui canali del bordo elicoidale indicano la direzione della corrente tra i contatti, e A indica l'amperometro. (B) Conduttanza a due terminali G2t =1/R2t in unità di e2/h rispetto alla tensione di back-gate estratta da (A) a diversi campi magnetici. I primi plateau di conduttanza dell'effetto Hall quantistico a 2e2/he 6e2/h sono ben definiti. Il plateau QSH di conduttanza e2/h emerge chiaramente a neutralità di carica intorno a Vbg =0 V. (C) Resistenza al punto di neutralità di carica (CNP) rispetto al campo magnetico per il campione BNGrSTO-07 (punti rossi) estratto da (A) e campione BNGrSTO-09 (punti blu). Quest'ultimo campione ha uno spesso distanziatore hBN e mostra una forte magnetoresistenza positiva a basso campo magnetico divergente verso l'isolamento; il campione con il sottile spaziatore hBN (BNGrSTO-07) mostra un plateau QSH che persiste fino a ~4 T, seguito da un aumento della resistenza a campi magnetici più elevati. W, ohm. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aax8201
Per questo, hanno usato titanato di stronzio paraelettrico quantistico (SrTiO 3 ), noto per esibire una grande costante dielettrica statica (D≈10 4 ) a basse temperature. La configurazione alla fine ha modificato lo stato fondamentale del grafene a neutralità di carica. Veyrat et al. raggiunto questo obiettivo progettando eterostrutture di grafene ad alta mobilità basate sull'incapsulamento di nitruro di boro esagonale (hBN) e osservando prontamente l'emergere della fase F in una configurazione schermata. Modificando la sorgente di elettroni e i contatti di drenaggio (flusso di elettroni) nella configurazione, e il numero di sezioni del bordo elicoidale, hanno osservato il trasporto del bordo elicoidale. Veyrat et al. hanno anche osservato misurazioni simultanee di resistenze a due terminali e resistenza non locale mantenendo gli stessi contatti di iniezione di corrente di source e drain per dimostrare il flusso di corrente sui bordi del campione.
Trasporto non locale del bordo elicoidale. (A) Resistenza a due terminali rispetto alla tensione di back-gate misurata a 2,5 T e 4 K per diverse configurazioni di contatto schematizzate in (B). L'inserto mostra un'immagine ottica del campione misurato BNGrSTO-07. La barra della scala è di 4 mm. Ogni configurazione di contatto produce una resistenza a neutralità di carica che raggiunge i valori previsti per il trasporto del bordo elicoidale, che sono indicati con le linee tratteggiate orizzontali. (B) Schemi delle configurazioni di misura. I contatti neri fluttuano. Le frecce rosse e blu sui canali del bordo elicoidale indicano la direzione della corrente tra i contatti. (C) Resistenza a due terminali, R2t, in blu e non locale, resistenza a quattro terminali, RNL, in rosso rispetto alla tensione di back-gate nella configurazione dei contatti mostrata nello schema dell'inserto. Nello schema, V indica il voltmetro. (D) Resistenza al CNP, Vbg =0 V, nella stessa configurazione di contatto di (C) rispetto al campo magnetico. Il plateau elicoidale è osservato sia per le resistenze a due che a quattro terminali tra 1 T e circa 6 T. Credito:Science, doi:10.1126/science.aax8201
Per studiare la robustezza del trasporto del bordo elicoidale, il team ha condotto studi sistematici sulla sua dipendenza dalla temperatura e dal campo magnetico. Il SrTiO 3 costante dielettrica è rimasta abbastanza alta fino a 200 K, e lo screening dielettrico è rimasto praticamente inalterato. Per comprendere il limite del trasporto quantizzato del bordo elicoidale, il team ha misurato diverse configurazioni di contatto a diversi campi magnetici e valori di temperatura per mostrare che il trasporto quantizzato del bordo elicoidale può resistere a temperature molto elevate fino a 110 K.
Il team ha poi dimostrato il ruolo chiave di SrTiO 3 substrato dielettrico durante l'instaurazione della fase F. A causa delle interazioni elettrone-elettrone sostanzialmente ridotte in una misura ad alta costante dielettrica, la fase F è emersa come stato fondamentale negli esperimenti di controllo. Veyrat et al. ha studiato ulteriormente gli effetti di screening e i contributi su scala reticolare a corto raggio delle interazioni di Coulomb e elettrone-fonone per determinare lo stato fondamentale energeticamente favorevole. I meccanismi osservati apriranno nuove entusiasmanti prospettive. Ad esempio, la scala energetica di Coulomb potrebbe essere migliorata aumentando il campo magnetico per indurre una transizione di fase quantistica topologica dalla fase ferromagnetica QHTI (quantum Hall topological insulators) a una fase isolante, stato fondamentale di Hall quantistica banale, un tipo di transizione finora poco affrontato.
Diagramma di fase del trasporto del bordo elicoidale. (A) Resistenza a due terminali del campione BNGrSTO-07 rispetto alla tensione di back-gate misurata a varie temperature e un campo magnetico di 4 T. La tensione di back-gate viene rinormalizzata per compensare la dipendenza dalla temperatura della costante dielettrica del substrato. (B) Resistenza a due terminali al CNP per gli stessi dati di (A). Il riquadro mostra la configurazione dei contatti utilizzata in (A) e (B). (C) Resistenza a due terminali al CNP rispetto al campo magnetico e alla temperatura per una diversa configurazione di contatto mostrata nel riquadro. La resistenza mostra un plateau al valore atteso per il trasporto del bordo elicoidale (2 3 h e2 , codice colore giallo chiaro) su un'ampia gamma di temperature e campi magnetici, questo è, fino a T =110 K a B =5 T. Le stelle indicano i parametri in corrispondenza dei quali è stato verificato il trasporto del bordo elicoidale misurando diverse configurazioni di contatto. (Le stelle verdi indicano il trasporto quantizzato del bordo elicoidale, e le stelle rosse indicano la deviazione dalla quantizzazione al CNP.) La curva tratteggiata è una guida per l'occhio che mostra i limiti approssimativi del trasporto quantizzato del bordo elicoidale della fase F. (D) Schema della dispersione del bordo degli stati di simmetria rotta di livello zero di Landau che mostrano l'apertura di uno spazio vuoto sul bordo. (E) Energia di attivazione nel punto di neutralità della carica rispetto al campo magnetico misurato nei campioni BNGrSTOVH-02 (punti rossi) e BNGrSTO-09 (punti blu), che hanno distanziatori hBN di 5 e 61 nm, rispettivamente. Le linee tratteggiate sono un adattamento lineare per BNGrSTOVH-02 e un adattamento della dipendenza per BNGrSTO-09. Il prefattore α =64 KT−1/2 corrisponde a un gap privo di disordine, e l'intercetta descrive l'allargamento del disordine dei livelli di Landau, che è coerente con la mobilità del campione. Credito:Scienza, doi:10.1126/science.aax8201
In questo modo, Louis Veyrat e colleghi hanno dimostrato la fase ferromagnetica (F) nel grafene schermato. La configurazione è emersa a bassi campi magnetici come una fase topologica indotta dall'interazione prototipo con un robusto trasporto del bordo elicoidale. Le eccitazioni dei bordi erano sintonizzabili con i campi magnetici per studiare le modalità a energia zero nelle architetture vicine alla superconduttività. Il metodo di ingegneria di screening del substrato era sintonizzabile a causa dello spessore del distanziatore hBN utilizzato nello studio, il team si aspetta quindi che gli stati fondamentali e le proprietà optoelettroniche di altri sistemi 2-D correlati siano fortemente influenzati dal loro ambiente dielettrico.
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