[論文レビュー] Evidence for correlated electron pairs and triplets in quantum Hall interferometers

Wenmin Yang, David Perconte+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、グラフェンベースの量子ホールファブリ-ペロ・インターオンメータを用い、プラウンガー・ゲート分光法によりもつれ状態のエッジチャネルを解明することで、相関電子対形成および三重化の実験的証明を提供する。ν=2では、電子対形成を示すh/2eのフラックス周期性を観測する。ν=3では、電子三重化を示すh/3eの周期性を発見し、中性子子を介した電子対輸送を説明する従来の理論に挑戦する。

ABSTRACT

Pairing of electrons is ubiquitous in electronic systems featuring attractive inter-electron interactions, as exemplified in superconductors. Counter-intuitively, it can also be mediated in certain circumstances by the repulsive Coulomb interaction alone. Quantum Hall (QH) Fabry-Pérot interferometers (FPIs) tailored in two-dimensional electron gas under a perpendicular magnetic field has been argued to exhibit such unusual electron pairing seemingly without attractive interaction. Here, we show evidence in graphene QH FPIs revealing not only a similar electron pairing at bulk filling factor nu=2 but also an unforeseen emergence of electron tripling characterized by a fractional Aharonov-Bohm flux period h/3e (h is the Planck constant and e the electron charge) at nu=3. Leveraging a novel plunger-gate spectroscopy, we demonstrate that electron pairing (tripling) involves correlated charge transport on two (three) entangled QH edge channels. This spectroscopy indicates a quantum interference flux-periodicity determined by the sum of the phases acquired by the distinct QH edge channels having slightly different interfering areas. While recent theory invokes the dynamical exchange of neutral magnetoplasmons -- dubbed neutralons -- as mediator for electron pairing, our discovery of three entangled QH edge channels with apparent electron tripling defies understanding and introduces a new three-body problem for interacting fermions.

研究の動機と目的

• 相関電子輸送の性質を、従来の引力的相互作用が存在しない条件下での電子対形成が起こる量子ホール干渉計において調査すること。
• 高填埋率、特にν=3において電子三重化（h/3eフラックス周期性で特徴づけられる）が出現するかどうかを特定すること。
• 新規のプラウンガー・ゲート分光法を用いて、相関輸送に関与する特定のエッジチャネルを解明すること。
• クーロン相互作用および磁場の存在下での複数エッジチャネルの量子干渉とそれらの相互作用の関係を理解すること。
• 中性子子交換に基づく従来の電子対形成理論を挑戦し、相互作用フェルミオンの三体相関現象を説明する新しい枠組みへと拡張すること。

提案手法

• hBNカプセル化と二重スプリットゲート量子ポイント接触を用いて干渉器キャビティを定義したグラフェンベースの量子ホールファブリ-ペロ・インターオンメータを用いた。
• プラウンガー・ゲートを用いてエッジチャネルが囲む有効面積を静電的にチューニングし、ゲート分光法によりエッジチャネルへの静電容量結合を測定した。
• 磁場およびゲート電圧を系統的に変化させた非平衡輸送測定を実施し、対角伝導度における干渉パターンをマップした。
• 観測された干渉パターンに適合させるために、ガウス減衰型位相フラクチュエーションの妥当なモデルを適用し、伝導度振動の調和成分に分解した。
• ゲート電圧の利得比および周波数依存性を用いて、プラウンガー・ゲートと各干渉エッジチャネルとの距離を計算した。
• 伝導度振動のフラックス周期性を分析し、有効電荷を特定した：ν=2におけるペア形成ではh/2e、ν=3における三重化ではh/3e。

Figure 1: Graphene quantum Hall Fabry-Pérot interferometer. a , Atomic force microscope image of the hBN encapsulated graphene heterostructure. Ohmic contacts are highlighted in yellow (with a rough surface), while quantum point contact (QPC) electrodes and the plunger gate are highlighted in light

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン量子ホール干渉計におけるν=2での観測された相関電子輸送の性質は何か。これは電子対形成と整合的か。
• RQ2 電子三重化（h/3eの分数アハロノフ＝ボームフラックス周期で特徴づけられる）はν=3で出現するのか。その場合、その背後にあるメカニズムは何か。
• RQ3 どの特定のエッジチャネルが相関輸送に干渉的に関与しているのか。また、その相対的寄与度は填埋率に応じてどのように変化するか。
• RQ4 填埋率の関数として、クーロン支配からアハロノフ＝ボーム支配への干渉行動の遷移はどのように進行するか。
• RQ5 観測された現象は、中性子子交換を含む従来の理論で説明可能か。それとも、相互作用フェルミオンの三体フレームワークを必要とするか。

主な発見

• ν=2では、干渉器がh/2eの半分のフラックス周期性を示し、有効電荷が約2eの電子対の相関輸送を示している。
• ν=3では、明確なh/3eのフラックス周期性が観測され、三重にもつれたエッジチャネルに起因する相関電子三重化の直接的証明が得られた。
• プラウンガー・ゲート分光法により、ν=3における三つの干渉エッジチャネルは空間的に分離しており、周波数-電圧依存性から、ゲートからチャネルまでの距離が約100–150 nmであると特定された。
• ν=3における干渉パターンは、三つの調和成分の和で最もよく記述され、振幅はA₁=0.25e²/h、A₂=0.052e²/h、A₃=0.0125e²/hであり、コherentなマルチチャネル輸送を示している。
• バックゲート電圧に応じて、外側エッジチャネルの寄与度とペア/三重状態の寄与度が変化し、ν=2.26ではペア形成が干渉信号を支配している。
• 内側エッジチャネルにおけるクーロン支配からアハロノフ＝ボーム支配への遷移は連続的であり、填埋率に相関しており、より高いνで後者の支配的状態が出現する。

Figure 2: Gate-spectrocopy of inner channel Aharonov-Bohm interference a , Diagonal conductance as a function of plunger-gate voltage $V_{\rm{pg}}$ . b , Checkerboard pattern of the conductance oscillation as a function of $V_{\rm{pg}}$ and dc bias voltage. c , Calculated checkerboard pattern in the