[論文レビュー] Electronic ratchet effect in a moiré system: signatures of excitonic ferroelectricity

Zhi-Ren Zheng, Xueqiao Wang+18 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2023

Advanced Memory and Neural Computing被引用数 10

ひとこと要約

層を対照的にしたグラフェン–BNモアレ系における電子ラチェット効果を示し、励起子駆動のエキシトニック・フェロ電気性と、制御可能な残留分極および複数のメモリ状態を明らかにする。

ABSTRACT

Electronic ferroelectricity represents a new paradigm where spontaneous symmetry breaking driven by electronic correlations, in contrast to traditional lattice-driven ferroelectricity, leads to the formation of electric dipoles. Despite the potential application advantages arising from its electronic nature, switchable electronic ferroelectricity remains exceedingly rare. Here, we report the discovery of an electronic ratchet effect that manifests itself as switchable electronic ferroelectricity in a layer-contrasting graphene-boron nitride moiré heterostructure. Our engineered layer-asymmetric moiré potential landscapes result in layer-polarized localized and itinerant electronic subsystems. At particular fillings of the localized subsystem, we find a ratcheting injection of itinerant carriers in a non-volatile manner, leading to a highly unusual ferroelectric response. Strikingly, the remnant polarization can be stabilized at multiple (quasi-continuous) states with behavior markedly distinct from known ferroelectrics. Our experimental observations, simulations, and theoretical analysis suggest that dipolar excitons are the driving force and elementary ferroelectric units in our system. This signifies a new type of electronic ferroelectricity where the formation of dipolar excitons with aligned moments generates a macroscopic polarization and leads to an electronically-driven ferroelectric response, which we term excitonic ferroelectricity. Such new ferroelectrics, driven by quantum objects like dipolar excitons, could pave the way to innovative quantum analog memory and synaptic devices.

研究の動機と目的

• 電子格子置換による格子変位ではなく、電子相関によって駆動される電子的フェロ電気性を調査する。
• レイヤー非対称なモアレポテンシャルが、移動性の高い電子サブシステムと局在化した電子サブシステムの共存を生み出す仕組みを探る。
• 双極性励起子が、スイッチ可能な分極を生成する基本的なフェロ電気ユニットとして機能するかを判定する。

提案手法

• 大きなミスマッチを持つ上部BNと下部BNでBLGを挟み、層を対照的にするモアレポテンシャルを作製する。
• 上下ゲート電圧の関数としての4端子抵抗マップで輸送特性を表征し、LSASとラチェット領域を同定する。
• Hall測定と総電荷密度から移動性と局所化した電荷密度を分離してn_Iとn_Lを抽出する。
• 現象論的なPreisach様ヒステロンモデルを用いて分極ダイナミクスを分析し、P-Dループを再現する。
• dipolarフェロ電気ユニットの機構として励起子形成を提案・定量化し、ギャップΔ、結合エネルギーE_Bなどのエネルギー スケールと比較する。
• シミュレーションと第一原理の洞察を用いて、層間励起子結合エネルギーと局在状態のギャップを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BLG/BNの層を対照させたモアレポテンシャルが、移動性と局在化した電子サブシステムの共存を生み、電子的フェロ電気性を可能にするか。
• RQ2 励起子双極子が、モアレ系のスイッチ可能な分極を駆動する基本単位として機能するか。
• RQ3 残留分極の性質と、変位場およびゲート電圧によるその調整可能性はどうなるか。
• RQ4 移動性サブシステムと局在化サブシステムの結合が、ラチェット様の準連続的なメモリ挙動をどう生み出すか。

主な発見

• D = 0 で非揮発性かつスイッチ可能なn_Hとして現れる残留分極の持続性、フェロ電気的挙動を示す。
• LSASとラチェット領域が交互に現れる連鎖的パターンを観測し、移動キャリアと局在化した層偏光状態の共存を示す。
• 駆動フェロ電気ユニットとして励起子形成の証拠を提示し、固定幅のヒステレーシスと準連続的なメモリ状態の集合を生み出す。
• ラチェット効果により、適用変位場の範囲に応じてエリアが連続的にスケーリングするフェロ電気ループを実証する。
• 観察されたエネルギーギャップと局在化と整合する約100 meV程度の層間励起子結合エネルギーの推定。
• ヒステレーシスと最大適用変位場に対する残留分極の三段階依存性を捉える現象論的モデル（Preisach様）を提案。