[論文レビュー] High-Resolution Tunneling Spectroscopy of Fractional Quantum Hall States

Yuwen Hu, Yen-Chen Tsui+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用数 11

ひとこと要約

著者らは超クリーンなベルナール積層二層グラフェンと高分解能STM/STSを用いて局所的に分数量子霍状態を探り、大きなエネルギーギャップを明らかにし、奇数/偶数分母の状態の明確な兆候を含むMoore-Read様の非アベリアンν=1/2状態を含み、層・サブ格子極性の空間分解イメージングを提示する。

ABSTRACT

Strong interaction between electrons in two-dimensional systems in the presence of a high magnetic field gives rise to fractional quantum Hall states that host quasiparticles with fractional charge and fractional exchange statistics. Here, we demonstrate high-resolution scanning tunneling microscopy and spectroscopy of fractional quantum Hall states in ultra clean Bernal-stacked bilayer graphene devices. Spectroscopy measurements show sharp excitations that have been predicted to emerge when electrons fractionalize into bound states of quasiparticles. We find energy gaps for candidate non-abelian fractional states that are larger by a factor of five than other related systems - for example semiconductor heterostructures - and this suggests bilayer graphene is an ideal platform for the manipulation of these quasiparticles and for the creation of a topological quantum bit. We also find previously unobserved fractional states in our very clean graphene samples.

研究の動機と目的

• 超クリーンなベルナール積層二層グラフェンにおける分数量子霍（FQH）状態の高分解能走査型トンネル顕微鏡法（STM/S）を実証する。
• 従来の輸送実験を超えたFQH状態に関連する局所エネルギーギャップとトンネルスペクトルを測定する。
• 非アベリアン状態の兆候を同定する（例：Moore-Read Pfaffian）とBLGで偶数分母状態を観察する。
• 局所FQHスペクトルを形作る内因的な層極性と無秩序の役割を探る。
• BLGをトポロジカル量子ビットのプラットフォームとして位置づけるため、実験ギャップを理論計算および厳密対角化（ED）と比較する。

提案手法

• グラファイトバックゲートを備えたhBN上に超クリーンなベルナール積層二層グラフェンデバイスを作製する。
• 高磁場下でゲート選択可能な高分解能STSを実施し、局所状態密度（LDOS）をマッピングする。
• 不可压縮FQHギャップを横断する電子/ホール付加のトンネルギャップ Delta_t, Delta0, Delta1, Delta を抽出・解析する。
• e S^2 deltaV^2 などの指標を用いて熱力学的ギャップの下限を算出し、ギャップ内の不純物状態を考慮する。
• 実験的トンネル閾値をED計算と比較し、FQH励起に対する理論的期待を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能STM/Sは、BLGにおけるFQH状態の局所的な励起とギャップを原子スケールの精度で解像できるか。
• RQ2 BLGにおけるさまざまなFQH状態の局所的（熱力学的）ギャップおよび準粒子ギャップは何か（偶数分母の非アベリアン状態を含む）？
• RQ3 観測されたギャップとスペクトル特徴は複合フェルミオン理論およびMoore-Read Pfaffian予測と一致するか？
• RQ4 intrinsic layer polarization, 派生構造、原子欠陥はFQHスペクトルとギャップの大きさにどのように影響するか？

主な発見

• ゲート可変の高分解能スペクトルを特徴とし、複数のランドau準位でジェイン列に従うFQH状態を観測。
• N=1 LLにおける偶数分母 ν = 1/2 状態の発見はMoore-Read Pfaffian物理とその子状態と一致する。
• エキゾチックFQH状態の局所的な熱力学的ギャップが驚くほど大きく、ν = 1/2でおよそ18.9 Kの下限、理論から推定される準粒子ギャップは約4.7 K。
• 空間分解マップは層の極性とサブ格子解像スペクトroscopy を示し、軌道充填とトップ層のLDOSを結びつける。
• 現実的な誘電環境epsilon約3.8–4.8を用いた場合のED計算と測定されたDelta0の定量的な一致は、超クリーンBLGにおけるFQH物理の探査手段として局所トンネル法の妥当性を裏付ける。
• BLGの高いランドau準位での偶数分母FQH状態の初観測は、新しい領域でMoore-Read的または関連非アベリアン状態の可能性を示唆する。