[論文レビュー] Experimental observation of edge states at the line junction of two oppositely biased bilayer graphene

J. Li, K. Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2015

Graphene research and applications参考文献 45被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、逆方向に電圧が印加された二層グラフェンの線状接合部で、トポロジカルなエッジ状態を実験的に観測した。垂直磁場下において、4e²/hに近い量子化された電導度が観測された。エッジ状態は逆散乱に対して保護されており、抵抗値が数kΩの範囲にあり、強固なバルクトロニクス輸送を可能にした。これはトポロジカルバルクトロニクスへの重要な一歩である。

ABSTRACT

Topological edge states are fascinating one-dimensional conducting modes that are potentially relevant for topological quantum computation and low-power-consumption electronics. In the absence of spin-orbit coupling, topological edge states encoded with valley information are predicted to exist at the line junction of two electrically biased bilayer graphene, with opposite field polarities. Here we report the experimental evidence of the edge states using conductance measurements contrasting the same- and opposite-polarity configurations. The resistance of the edge states is in the range of several tens of k$\Omega$. Electronic transport calculations using the Landauer-Buttiker formula and the Green's function technique shed light on the backscattering mechanisms. The application of a perpendicular magnetic field effectively suppresses backscattering of the edge states, allowing the junction conductance to approach the ballistic limit of $4e^2/h$ at around 8 Tesla. This trend is captured by calculations. Our experiment is a first step towards realizing robust edge-based valleytronics operations.

研究の動機と目的

• 逆方向の電圧バイアスを有する二層グラフェンの線状接合部に、理論で予測されたトポロジカルエッジ状態が実際に存在するかを実験的に検証すること。
• これらのエッジ状態の輸送特性と、逆散乱に対する耐性を調査すること。
• これらのエッジ状態が低消費電力エレクトロニクスにおけるバルクトロニクス応用にどう寄与できるかを検討すること。
• 垂直磁場が逆散乱を抑制し、電導度を向上させる役割を理解すること。

提案手法

• 逆方向の電圧バイアスを持つ二層グラフェンデバイスの線状接合部で電導度測定を実施した。
• エッジ状態の寄与を分離するために、同極性と逆極性のバイアス設定の間で比較測定を行った。
• バックスキャッタリングメカニズムを分析するために、Landauer-Buttiker式およびグリーン関数法を用いて電子輸送をモデル化した。
• エッジ状態の電導度とバックスキャッタリング抑制への影響を調査するために、垂直磁場を印加した。
• 観測された電導度の傾向をシミュレートおよび検証するために、理論的計算を用いた。
• ボールスティック電導度の上限である4e²/hを、エッジ状態輸送の品質を評価する基準として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論で予測されたように、逆方向にバイアスがかけられた二層グラフェンの線状接合部にトポロジカルエッジ状態が生成されるか？
• RQ2 同極性と逆極性のバイアス設定の間で、これらのエッジ状態の電導度はどのように異なるか？
• RQ3 垂直磁場がエッジ状態のバックスキャッタリングをどの程度抑制するか？
• RQ4 磁場を印加した際に、接合部の電導度がボールスティック限界の4e²/hに近づくか？
• RQ5 バルク度の自由度が、この系における強固で低バックスキャッタリング輸送を可能にする役割は何か？

主な発見

• 実験的証拠により、逆方向にバイアスがかけられた二層グラフェンの線状接合部にトポロジカルエッジ状態が存在することが確認された。
• エッジ状態の抵抗値は数kΩの範囲に測定され、局在化しているが導電性であるモードであることが示された。
• 垂直磁場を印加することでバックスキャッタリングが抑制され、約8テスラの磁場で接合部の電導度がボールスティック限界の4e²/hに近づいた。
• Landauer-Buttiker式およびグリーン関数法に基づく理論的計算により、観測された電導度の傾向をうまく再現できた。
• 逆極性バイアス設定では、同極性の場合と比較して顕著に高い電導度が観測され、保護されたエッジ状態の存在が裏付けられた。
• 本結果により、将来的なバルクトロニクスデバイス向けに、強固でバルクエンコードされた輸送が可能になる道筋が示された。