[論文レビュー] Conductance oscillations in Chern insulator junctions: valley-isospin dependence and Aharonov-Bohm effects

Nojoon Myoung, Hee Chul Park|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2017

Graphene research and applications参考文献 42被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、グラフェンにおけるチェルン絶縁体ジャンクションにおける整合的輸送を調査し、バルク状態の谷-アイソスピン依存性と空間的に分離された界面チャネルに起因する固有のアハロノフ＝ボーム（AB）干渉が、電導度の振動を引き起こすことを示している。主な発見は、谷-アイソスピン振動は端の粗さによって抑制されるが、長周期のAB振動は依然として残り、ゲート電圧で調整可能であり、不純物が存在する系でもトポロジカル輸送の頑健な兆候を提供する。

ABSTRACT

The transport properties of Chern insulator junctions generated by bipolar junctions in quantum Hall graphene are theoretically studied in the coherent regime. Coherent transport across the junction exhibits two mesoscopic features: valley-isospin dependence of the quantum Hall conductance, and the Aharonov-Bohm (AB) effects with the interface channels. We demonstrate that the valley-isospin dependence can be measured in a graphene sample with perfect edge terminations, resulting in conductance oscillation for the smallest Chern number case. On the other hand, while conductance plateaus are found to be unclear for larger Chern numbers, the conductance exhibits an oscillatory behavior of which period is relatively longer than the valley-isospin dependent oscillation. This conductance oscillation is ascribed to the AB effect, which is implicitly created by the split metallic channels near the junction interface. We point out that a possible origin of the unclear plateaus previously speculated to be incompleteness in realistic devices is the low-visibility conductance oscillation due to unequal beam splitting.

研究の動機と目的

• 本研究の目的は、グラフェンに形成された一様なチェルン絶縁体ジャンクションにおけるミクロ的輸送現象を理解することである。
• 本研究は、p-nジャンクションを横切る量子ホール電導度における谷-アイソスピン自由度の役割を調査する。
• 本研究は、実験で電導度プラトーが明確でない理由を解明し、不均一なビーム分割に起因する可視度の低い振動が原因である可能性を提案する。
• 本研究は、単一ジャンクションのチェルン絶縁体系における固有のアハロノフ＝ボーム効果を同定および特徴付けることにある。
• 本研究の目的には、AB振動がゲート電圧によって調整可能であることを示し、実験的検出の手がかりを提供することも含まれる。

提案手法

• 本研究は、ゲート電圧で調整可能なポテンシャルを有するヘキサゴナル格子上のタイトバインディングモデルを用いて、p-nジャンクションを形成するグラフェンをシミュレートする。
• 滑らかなポテンシャルプロファイル V(x) = V₀ tanh(x/ξ) を用いた有効ディラックハミルトニアンを用い、徐々に変化するジャンクションをモデル化する。
• 端の粗さは、W = W₀ + δW[sin(γ₁x) + sin(γ₂x)] で与えられるランダムな幅変動により導入され、δW ≈ 0.53a₀ を用いて原子スケールの不純物を模倣する。
• 電導度は、4端子幾何学におけるランダウエア＝ビュッテイカー形式を用いて計算され、端の粗さの100回のランダム実現のアンサンブル平均が取られる。
• 解析では、短周期の振動（谷-アイソスピン依存性）と長周期の振動（AB効果）の電導度の違いを区別する。
• ゲート電圧によるAB振動の可視度の調整は、フェルミエネルギーとジャンクション長を変化させることで検討される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンにおけるチェルン絶縁体ジャンクションを横切る電導度に、谷-アイソスピン依存性はどのように現れるか？
• RQ2 外部磁場が存在しない状況で観測される長周期の電導度振動の原因は何か？
• RQ3 実験で電導度プラトーが明確でないのはなぜか？これは、不純物ではなく、ミクロ的フラクチュエーションに起因するのだろうか？
• RQ4 端の粗さとビーム分割の非対称性は、電導度振動の可視度にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 単一ジャンクションのチェルン絶縁体系において、AB振動の可視度はゲート電圧で調整可能か？

主な発見

• 電導度は、谷-アイソスピン依存性に起因する原子スケールの周期的振動を示すが、端の粗さにより消失する。
• 端の粗さが存在する中でも、長周期の電導度振動は依然として残り、空間的に分離された界面チャネルに起因する固有のアハロノフ＝ボーム効果に起因するとされる。
• AB振動は、ジャンクション付近で分岐した金属的チャネルが形成する暗黙の干渉ループに起因し、磁束を閉じる領域を形成する。
• AB振動の周期は、谷-アイソスピン振動の周期よりも顕著に長く、多パス干渉を反映している。
• AB振動の可視度はゲート電圧で調整可能であり、フェルミエネルギーを調整することでその抑制が達成できる。
• 本研究は、不均一なビーム分割が振動可視度を低下させる主要因であると特定し、過去の実験で観測されたプラトーの不明瞭さを説明できた。