[論文レビュー] In-plane magnetic field-driven symmetry breaking in topological insulator-based three-terminal junctions

Jonas Kölzer, Kristof Moors+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 45被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、位相的秩序状態の位相的非局在表面状態における軌道効果を活用することで、平面内磁場がトポロジカル絶縁体ベースの三端子接合における電流の流れを能動的に制御できることを示している。磁場はナノリブの両端に表面状態を捕らえ、左右対称性を破り、電流を一方の出力端子に選択的にルーティング可能にし、π周期的な制御を示すトップオエレクトロニクス的電流スイッチとして機能する。

ABSTRACT

Topological surface states of three-dimensional topological insulator nanoribbons and their distinct magnetoconductance properties are promising for topoelectronic applications and topological quantum computation. A crucial building block for nanoribbon-based circuits are three-terminal junctions. While the transport of topological surface states on a planar boundary is not directly affected by an in-plane magnetic field, the orbital effect cannot be neglected when the surface states are confined to the boundary of a nanoribbon geometry. Here, we report on the magnetotransport properties of such three-terminal junctions. We observe a dependence of the current on the in-plane magnetic field, with a distinct steering pattern of the surface state current towards a preferred output terminal for different magnetic field orientations. We demonstrate that this steering effect originates from the orbital effect, trapping the phase-coherent surface states in the different legs of the junction on opposite sides of the nanoribbon and breaking the left-right symmetry of the transmission across the junction. The reported magnetotransport properties demonstrate that an in-plane magnetic field is not only relevant but also very useful for the characterization and manipulation of transport in three-dimensional topological insulator nanoribbon-based junctions and circuits, acting as a topoelectric current switch.

研究の動機と目的

• 平面内磁場下における三次元トポロジカル絶縁体ベースの三端子接合の磁気輸送特性を調査すること。
• 平面内磁場がトポロジカル絶縁体接合における電流伝送の左右対称性を破れるかどうかを特定すること。
• 平面内磁場をトップオエレクトロニクス回路における電流ルーティングの制御ノブとして使用可能かどうかを実証すること。
• 観察された電流ルーティングの起源が、軌道効果か、他のメカニズム（例：平面内ホール効果）かを区別すること。
• 半古典的および量子輸送シミュレーションを用いて、観察されたルーティングパターンを説明する伝送モデルを構築すること。

提案手法

• 選択的領域分子線エpitaxy（MBE）を用いてBi2Te3ベースのT字型三端子接合を形成し、カプセル化に原子層蒸着法を適用した。
• 25 mKの低温下で、最大0.5 Tまでの平面内磁場を印加し、左および右の出力リードへの電流分配を測定した磁気輸送測定を実施した。
• 磁場の大きさを一定に保ちながら、電流方向性を定量化するため、ステアリング比 SR = (IR − IL)/(IR + IL) を定義・分析した。
• Kwantを用いた量子輸送シミュレーションと半古典的モデルを用いて、観察された磁場依存的電流ステアリングを説明した。
• 接触抵抗の影響を考慮し、リードおよび表面依存の抵抗を反映するように伝送係数を修正した。
• 実験結果と理論予測を比較することで、弱い局在化や平面内ホール効果などの他のメカニズムと比較し、軌道効果の寄与を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平面内磁場は、トポロジカル絶縁体ベースの三端子接合において方向性のある電流ステアリングを誘導できるか？
• RQ2 観察された電流ステアリングの起源は何か。具体的には、それが軌道効果か、平面内ホール効果などの他のメカニズムに起因するか？
• RQ3 磁場の向きが接合の各リード間の伝送対称性にどのように影響するか？
• RQ4 接触抵抗や幾何的非対称性が観察されたステアリング行動にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 電流ステアリングは、表面状態の軌道的捕らえに基づく一貫した伝送モデルで記述可能か？

主な発見

• 表面状態電流に明確なπ周期的ステアリングパターンが観察され、入力リードからの電流が平面内磁場の向きに応じて一方の出力端子に優位に流れることが確認された。
• ステアリング比 SR は、入力リードに対して±45°および±135°で交互に最大値と最小値を示し、対称性の破れを裏付ける。
• 観察された電流ステアリングは、位相的非局在表面状態がナノリブの両端に捕らわれることに起因する軌道効果によるものであり、左右伝送対称性が破れている。
• ステアリング効果は、0.5 Tまでの広い磁場範囲および25 mKの低温でも安定しており、強い位相的コhereneceを示している。
• 平面内ホール効果は主因でないと判明した。これは、その温度依存性が弱いのに対し、ステアリング効果は強い温度依存性を示すためである。
• シミュレーションとモデリングにより、軌道効果が非対称な伝送を引き起こし、磁場の方向と強さに応じて電流が一方のリードに優先的にチャネルされることが確認された。