[論文レビュー] Emergence of Topologically Protected Helical States in Minimally Twisted Bilayer Graphene.

Shengqiang Huang, Kyounghwan Kim+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2018

Chemical and Physical Properties of Materials被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ABおよびBAスタッキング領域のモアレパターンがドメイン壁を形成する最小限にねじれた二層グラフェンにおいて、位相的に保護されたヘリカル（TPH）エッジ状態の出現を示している。走査トンネル分光法を用いて、ABおよびBA領域がギャップを持つ場合にのみ二重線のTPH状態が観測され、位相的量子デバイスへの応用が期待されるTPH状態ネットワークを設計的に工学的に構築する柔軟な手法を確立した。

ABSTRACT

Bilayer graphene samples in which inversion symmetry is broken have quantum valley Hall ground states that support counterpropogating topologically protected helical (TPH) edge states localized along domain walls between AB and BA stacking regions. Moreover, a moir\'e pattern consisting of AB and BA stacking regions separated by a grid of domain walls, forms in bilayer graphene when a small twist-angle is applied between the layers. We fabricate designer moir\'e crystals with wavelengths longer than 50 nm and demonstrate the emergence of TPH states on the domain wall network by scanning tunneling spectroscopy measurements. We observe a double-line profile of the TPH states on the domain walls, only occurring when the AB and BA regions are gapped. Our results demonstrate a practical and flexible method for TPH state network construction.

研究の動機と目的

• 反転対称性の破れを伴う二層グラフェンにおける位相的に保護されたヘリカル（TPH）エッジ状態の出現を調査すること。
• 小さなねじれ角によって形成されるモアレパターンが、ABおよびBAスタッキング領域間のドメイン壁に沿ってTPH状態をどのように宿すかを調査すること。
• 長周期スーパラティスを有するデザイナー・モアレ結晶を用いて、TPH状態ネットワークを実用的かつ柔軟に構築する手法を開発すること。

提案手法

• ねじれ角を調整して、周期的なAB/BAスタッキング領域とドメイン壁を有する二層グラフェンにおけるデザイナー・モアレ結晶の作製。
• ドメイン壁に沿った電子状態を走査トンネル分光法（STS）でプローブすること。
• 50 nmを超える波長を有する長周期モアレスーパーラティスを設計して、TPHエッジ状態を分離・解像すること。
• 局所状態密度の測定により、ABおよびBA領域がギャップを持つ場合にのみ二重線のTPHシグネチャーが確認されることを特定すること。
• 反転対称性が破れた系における量子バルク状態の理論的予測とSTSデータを比較すること。
• スタッキング領域およびバンドギャップの制御により、TPH状態の出現が条件依存であることを確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限にねじれた二層グラフェンにおいて、ABおよびBAスタッキング領域のモアレパターンが存在する場合、位相的に保護されたヘリカルエッジ状態が出現するか？
• RQ2 ABおよびBA領域におけるバンドギャップが、ドメイン壁に沿ったTPH状態形成に果たす役割は何か？
• RQ3 モアレスーパーラティスの空間的周期性が、TPH状態の観測および構造に与える影響は何か？
• RQ4 二層グラフェンにおける制御されたスタッキングとゲーティングを用いて、TPH状態ネットワークを工学的に構築し安定化できるか？
• RQ5 局所電子構造におけるTPH状態の存在を特徴付ける実験的シグネチャーは何か？

主な発見

• 最小限にねじれた二層グラフェンにおいて、ABおよびBAスタッキング領域間のドメイン壁に、位相的に保護されたヘリカル（TPH）エッジ状態が出現する。
• ドメイン壁において走査トンネル分光法の信号に二重線のプロファイルが観測され、TPH状態の存在が確認される。
• 二重線の特徴は、ABおよびBA領域が両方ギャップを持つ場合にのみ現れ、両スタッキング領域でのバンドギャップ開口が必須であることを示している。
• TPH状態は、50 nmを超える周期を有するモアレスーパーラティスによって形成されるドメイン壁ネットワークに局在化している。
• 本研究は、デザイナー・モアレ結晶を用いたTPH状態ネットワークの実用的かつ柔軟な構築法を示している。
• 本研究の結果は、二次元のファンデルワールスヘテロ構造において、頑健で位相的に保護された電子状態を工学的に設計する道筋を確立した。