[論文レビュー] Colloquium: Quantum anomalous Hall effect

Cui‐Zu Chang, Chao‐Xing Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 18

ひとこと要約

本レビューは、磁性ドープされたトポロジカル絶縁体、MnBi₂Te₄のような内在的磁性トポロジカル絶縁体、グラフェンおよび遷移金属ジ chalcogenides のモアレスーパーラティスを含む4つの異なる二次元材料系における量子異常ホール（QAH）効果の物理的メカニズムを統合的に検討する。QAH効果—外部磁場が不要な場合の量子化されたホール抵抗—は、自発的時間反転対称性の破れと非自明なトポロジカル秩序に起因し、実験的実現ではパーツ・パー・ミリオン（ppm）レベルの精度でホール抵抗の量子化が達成された。この結果、QAH効果は量子抵抗基準および無損失エレクトロニクスの有望な候補と位置づけられる。

ABSTRACT

The quantum Hall (QH) effect, quantized Hall resistance combined with zero longitudinal resistance, is the characteristic experimental fingerprint of Chern insulators - topologically non-trivial states of two-dimensional matter with broken time-reversal symmetry. In Chern insulators, non-trivial bulk band topology is expressed by chiral states that carry current along sample edges without dissipation. The quantum anomalous Hall (QAH) effect refers to QH effects that occur in the absence of external magnetic fields due to spontaneously broken time-reversal symmetry. The QAH effect has now been realized in four different classes of two-dimensional materials: (i) thin films of magnetically (Cr- and/or V-) doped topological insulators in the (Bi,Sb)2Te3 family, (ii) thin films of the intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4, (iii) moiré materials formed from graphene, and (iv ) moiré materials formed from transition metal dichalcogenides. In this Article, we review the physical mechanisms responsible for each class of QAH insulator, highlighting both differences and commonalities, and comment on potential applications of the QAH effect.

研究の動機と目的

• 4つの異なる2次元材料クラスにおける量子異常ホール（QAH）効果を可能にする物理的メカニズムを体系的にレビューすること。
• 外部磁場が存在しない状況下で、量子化されたホール伝導度を実現するための自発的時間反転対称性の破れとトポロジカルバンド構造の役割を明確にすること。
• 高精度ホール抵抗の量子化を達成するための現在の実験的進展、特にメトロロジカル応用を念頭に評価すること。
• QAH材料が無損失エレクトロニクスおよびスピントロニクスデバイスの実現にどのように寄与できるかを検討すること。
• 高温動作や分数量子異常ホール状態の実現を含む、主な課題と今後の方向性を同定すること。

提案手法

• ホール伝導度とブリユアンゾーン上でのベリー曲率の積分を結びつけるTKNN式の分析により、チリ数がトポロジカル不変量として定立される。
• ディラックモデルおよび有効ハミルトニアンの適用により、磁性トポロジカル絶縁体およびモアレ系のバンド構造を記述する。
• ドープされたトポロジカル絶縁体（Cr/Vドープ (Bi,Sb)₂Te₃）、内在的磁性絶縁体（MnBi₂Te₄）、およびモアレヘテロ構造における磁性機構の調査。
• タイトバインディングモデルおよび対称性解析を用いて、QAH系におけるキラルエッジ状態および量子化輸送を説明する。
• 輸送測定の評価、特にホール抵抗の量子化およびプラトー遷移のスケーリング行動。
• 高チリ数状態、分数量子異常ホール効果、トポロジカル超伝導体の近接効果に関する理論的提案の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁性ドープトポロジカル絶縁体、内在的磁性トポロジカル絶縁体、およびモアレスーパーラティスにおける量子異常ホール効果を可能にする物理的メカニズムはそれぞれどのように異なるか？
• RQ2 自発的時間反転対称性の破れが、外部磁場が存在しない状況でどのように量子化されたホール伝導度を生じさせるのか？
• RQ3 QAH効果の主な実験的シグナルは何か？現在の材料ではホール抵抗の量子化はどの程度の精度で達成されたか？
• RQ4 QAHベースの量子抵抗基準のための、より高温動作と高精度量子化を達成する上で直面する主な課題は何か？
• RQ5 QAHエッジ状態は、無損失インターコネクトおよびキラルエレクトロニクスまたはスピントロニクスデバイスの制御にどのように活用できるか？

主な発見

• 量子異常ホール効果は、4つの2次元材料クラスで実験的に実現された：CrおよびVドープ (Bi,Sb)₂Te₃薄膜、内在的MnBi₂Te₄、ねじれ二層グラフェン、MoTe₂/WSe₂ヘテロヘテロ接合。
• CrおよびVドープトポロジカル絶縁体薄膜では、ホール抵抗の量子化がパーツ・パー・ミリオン（ppm）レベルの不確実性で測定された。1つの研究では0.17 ± 0.25 ppmの精度を達成した。
• 9 QLのVドープ (Bi,Sb)₂Te₃薄膜では、ホール抵抗の量子化が0.17 ± 0.25 ppmの範囲で実現され、9 QLのモジュレーションドープQAHサンドイッチ構造でも2 ppmの精度を達成した。
• 最近の測定では、同じQAHサンドイッチデバイスに永久磁石を用いた結果、10 parts per billion（ppb）の精度が得られ、量子抵抗基準の1 ppbの閾値に近づいたが、まだ達成していない。
• QAH系におけるキラルエッジ状態は、接触抵抗以外に長さ依存性のない無損失輸送を可能にする。
• 磁性トポロジカル絶縁体において、スピンオービットトルクを用いたQAHエッジ電流のキラル性の完全な電気的スイッチングが実験的に実証され、キラルエレクトロニクス状態の制御が可能であると示された。