[論文レビュー] Fabry-P\'erot cavities and quantum dot formation at gate-defined interfaces in twisted double bilayer graphene

Elías Portolés, Giulia Zheng+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Graphene research and applications参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、1.07°のねじれ角をもつねじれ二重バルクグラフェン（TDBG）において、静電的により定義されたファーブリ-ペロー共振器と量子ドットの形成を示した。ゲート電圧および電荷分離電場を調整することで、分散性バンドとフラットバンドの間、および異なるフラットバンドの間で二種類の異なるファーブリ-ペロー振動が観測された。さらに、クーロン遮断共鳴は強い電子的閉じ込めを確認し、モアレポテンシャルとキャリア密度勾配の相乗作用によって、共振器界面に量子ドットが形成されていることを示した。

ABSTRACT

The rich and electrostatically tunable phase diagram exhibited by moir\'e materials has made them a suitable platform for hosting single material multi-purpose devices. To engineer such devices, understanding electronic transport and localization across electrostatically defined interfaces is of fundamental importance. Little is known, however, about how the interplay between the band structure originating from the moir\'e lattice and electric potential gradients affects electronic confinement. Here, we electrostatically define a cavity across a twisted double bilayer graphene sample. We observe two kinds of Fabry-P\'erot oscillations. The first, independent of charge polarity, stems from confinement of electrons between dispersive-band/flat-band interfaces. The second arises from junctions between regions tuned into different flat bands. When tuning the out-of-plane electric field across the device, we observe Coulomb blockade resonances in transport, an indication of strong electronic confinement. From the gate, magnetic field and source-drain voltage dependence of the resonances, we conclude that quantum dots form at the interfaces of the Fabry-P\'erot cavity. Our results constitute a first step towards better understanding interfacial phenomena in single crystal moir\'e devices.

研究の動機と目的

• モアレ材料におけるゲートで定義された界面における電子輸送および局在化を理解すること。
• モアレバンド構造と電界勾配が電子的閉じ込めにどのように寄与するかを調査すること。
• TDBGにおける静電的に定義された共振器界面に形成される量子ドットの実証と特性評価をすること。
• 単一結晶モアレヘテロ構造における強い電子的閉じ込めの起源を特定すること。

提案手法

• ヘキサゴナル窒化ホウ素でカプセル化された1.07°のねじれ二重バルクグラフェンヘテロ構造を形成し、石墨のバックゲートおよびトップ/ボトム金属ゲートを用いた。
• 電子ビームリソグラフィーとAl2O3の原子層堆積を用いて、400 nmのファーブリ-ペロー共振器を定義した。
• 低温輸送測定を実施し、ソース・ドレイン電圧、バックゲート、トップゲート、プラウンジャー・ゲート電圧を制御して電子状態を調査した。
• ファーブリ-ペロー振動およびクーロン遮断ダイヤモンドの解析により、充電エネルギー、リーバーアーム、サイズなどの量子ドットパラメータを抽出した。
• 平行板コンデンサモデルを用いて、充電エネルギーおよびゲート容量から量子ドットのサイズを推定した。
• 磁場依存性のクーロンダイヤモンドを測定し、g因子を抽出するとともに、量子ドットの性質を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TDBGにおける分散性バンドとフラットバンドの界面は、どのようにファーブリ-ペロー振動を支持するか？
• RQ2 電荷分離電場は、TDBGにおけるファーブリ-ペロー干渉の発現または抑制にどのような役割を果たすか？
• RQ3 輸送におけるクーロン遮断共鳴は、ゲートで定義された界面に量子ドットが形成されていることをどのように示唆するか？
• RQ4 TDBG共振器における強い電子的閉じこめの起源は何か—バンド構造、ポテンシャル勾配、それともモアレ効果か？
• RQ5 観測された量子ドットの主な物理的パラメータ（サイズ、充電エネルギー、g因子）は何か？

主な発見

• 二種類の異なるファーブリ-ペロー振動が観測された：一つはキャリアの極性に依存しない分散性/フラットバンド界面での振動、もう一つは異なるフラットバンド間の界面で生じる振動である。
• 大きな電荷分離電場下でクーロン遮断共鳴が観測され、強い電子的閉じこめと量子ドットの形成を示した。
• クーロンダイヤモンドの間隔から、量子ドットの充電エネルギーが約1.5 meVであると推定された。
• プラウンジャー・ゲートのリーバーアームは14 eV/Vと測定され、量子ドットのエネルギー準位に対する強い静電的制御が示された。
• ゲート容量および誘電体厚さを用いた平行板コンデンサモデルから、量子ドットの推定半径は100 nmであった。
• 中央ゲートと統合されたトップ/ボトムゲート間の相対的リーバーアーム比は、それぞれ4:1、2:1、1:1であり、異なる量子ドットで電界結合の度合いが異なることが示された。