[論文レビュー] Integer and Fractional Quantum Hall Effect in Two-Terminal Measurements on Suspended Graphene

Ivan Skachko, Xu Du+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2009

Graphene research and applicationsMaterials Science参考文献 2被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、二端子型測定を用いて、はく離グラフェンにおいて整数および分数量子ホール効果の観測を実証した。従来のホールバー型測定の限界を克服した。著者らは、非伝統的な充填状態（例：ν=1/3）に新たな量子化状態を特定し、ガリウムヒ overnight（GaAs）ベースの系と比較して顕著に大きな励起ギャップを抽出した。これは、低温および中程度の磁場（2–12 T）条件下でグラフェンに強化された多体相関が存在することを示している。

ABSTRACT

We report the observation of the quantized Hall effect in suspended graphene probed with a two-terminal lead geometry. The failure of earlier Hall-bar measurements is discussed and attributed to the placement of voltage probes in mesoscopic samples. New quantized states are found at integer Landau level fillings outside the sequence 2,6,10.., as well as at a fractional filling ν=1/3. Their presence is revealed by plateaus in the two-terminal conductance which appear in magnetic fields as low as 2 Tesla at low temperatures and persist up to 20 Kelvin in 12 Tesla. The excitation gaps, extracted from the data with the help of a theoretical model, are found to be significantly larger than in GaAs based electron systems.

研究の動機と目的

• 従来のホールバー型幾何構造に起因する問題を避けるために、二端子測定構成を用いてはく離グラフェンにおける量子ホール効果を調査すること。
• メゾスコピックなサンプル効果および測定幾何構造の制限に起因する、以前のホールバー型測定における不一致を解消すること。
• 整数的でないランダウ準位の充填状態（例：ν=1/3 などの分数量子化状態を含む）に新たな量子化状態を検出および特徴付けること。
• 二端子型導電度プラトーから励起ギャップを抽出し、従来のGaAsベースの系と比較すること。
• 低温および中程度の磁場（2–12 T）条件下で、量子ホール状態の頑健性を確立すること。

提案手法

• 電流路内に電圧プローブを含まない二端子型電気的構成を用いたはく離グラフェンデバイスを採用し、直接的に導電度を測定した。
• 低温（2 K まで）および最大12 Tの磁場を印加し、量子ホールプラトーを調査した。
• 温度依存性の導電度プラトーからエネルギーギャップを抽出するために理論的モデルを用いた。
• 磁場およびゲート電圧の関数としての二端子型導電度を分析し、量子化プラトーを同定した。
• 観測されたギャップを、GaAsベースの二次元電子系と比較し、相関強度を評価した。
• 標準的な2,6,10,…の系列とは異なる非標準的充填状態（例：ν=1/3）におけるプラトーの同定に注力した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ以前のホールバー型測定では、はく離グラフェンにおける量子ホール効果を一貫して観測できなかったのか？
• RQ2 二端子型測定は、従来のホールバー型幾何構造では到達できない新たな量子ホール状態を明らかにできるか？
• RQ3 はく離グラフェンにおける整数および分数量子ホール効果の励起ギャップは何か？ そして、GaAsベースの系と比較してどうなるか？
• RQ4 はく離グラフェンに、ν=1/3 などの非標準的ランダウ準位の充填状態における量子化導電度プラトーは存在するか？
• RQ5 低温および中程度の磁場条件下で、観測された量子ホール状態はどの程度頑健か？

主な発見

• 二端子型幾何構造により、従来の2,6,10,…の系列とは異なる整数的充填状態における量子化ホールプラトーが明確に観測され、新たな多体状態の存在が示された。
• 分数量子ホール効果の存在を確認するため、明確なν=1/3のプラトーが観測された。
• データから抽出された励起ギャップは、GaAsベースの二次元電子系と比較して顕著に大きいことが判明した。
• 12 Tの磁場下で、20 Kまで量子化導電度プラトーが維持された。これは比較的高い温度でも頑健であることを示している。
• 以前のホールバー型測定の失敗は、メゾスコピック領域に配置された電圧プローブに起因し、局所的電位を歪め、量子化行動を隠蔽していたと考えられた。
• 結果から、はく離グラフェンでは電子間相互作用が強化されており、従来の半導体と比較してより強い多体相関が生じていることが示唆された。