[論文レビュー] Low Magnetic Field Regime of a Gate-Defined Quantum Point Contact in High-Mobility Graphene

Louis Veyrat, Anna Jordan+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、変化する磁場下における高移動度グラフェン中のゲートで定義された量子点接触における一様な電子輸送を調査した。低磁場領域ではファーブリ・ペロの共鳴が観測され、高磁場領域ではへび行進的軌道と電導度の振動が観察され、最終的に閉じ込められたサドルポテンシャルによるLandau準位分光が歪められる状態に至る。数値シミュレーションにより確認された。

ABSTRACT

We report on the evolution of the coherent electronic transport through a gate-defined constriction in a high-mobility graphene device from ballistic transport to quantum Hall regime upon increasing the magnetic field. At low field, the conductance exhibits Fabry-Perot resonances resulting from the npn cavities formed beneath the top-gated regions. Above a critical field $B^*$ corresponding to the cyclotron radius equal to the npn cavity length, Fabry-Perot resonances vanish and snake trajectories are guided through the constriction with a characteristic set of conductance oscillations. Increasing further the magnetic field allows us to probe the Landau level spectrum in the constriction, with distortions due to the combination of confinement and de-confinement of Landau levels in a saddle potential. These observations are confirmed by numerical calculations.

研究の動機と目的

• 変化する磁場下におけるゲートで定義されたグラフェン量子点接触の電子輸送の進化を調査すること。
• 高移動度グラフェンにおけるバルクなファーブリ・ペロ共鳴から磁場誘導のヘビ行進的軌道への遷移を理解すること。
• サドルポテンシャルを持つ閉じ込め領域におけるLandau準位スペクトルを調査し、量子閉じ込めによる歪みを分析すること。
• ゲート付きグラフェン構造における電子輸送の数値シミュレーションにより、実験的観察を検証すること。

提案手法

• トップゲートを用いた量子点接触を有する高移動度グラフェンデバイスの作製により、npn型電子キャビティを形成する。
• グラフェン平面に垂直な磁場を印加し、電子軌道およびLandau準位の形成を調整する。
• 磁場およびゲート電圧に対する電導度を測定し、輸送領域を特定する。
• サイクロトロン半径がキャビティ長と一致する臨界磁場$B^*$を特定し、ファーブリ・ペロからヘビ行進的軌道への遷移を示す。
• サドルポテンシャル内での電子輸送を数値モデル化し、観測された電導度の振動およびLandau準位の歪みを模擬・確認する。
• 電導度の振動を分析し、閉じ込められた領域におけるヘビ状態の特徴およびLandau準位の量子化を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場が増加するに従い、電導度がバルクなファーブリ・ペロ共鳴から磁場誘導輸送へどのように変化するか？
• RQ2 キャビティ長に対するサイクロトロン半径の役割は、ヘビ行進的軌道への遷移を決定づけるか？
• RQ3 グラフェンにおけるサドルポテンシャルを持つ閉じ込め領域で、Landau準位はどのように形成され、歪むか？
• RQ4 数値シミュレーションは、観測された電導度の振動および輸送遷移をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 低磁場領域では、トップゲート領域によって形成されたnpn型キャビティ内での電子干渉により、ファーブリ・ペロ共鳴が観測された。
• サイクロトロン半径がキャビティ長と一致する臨界磁場$B^*$を超えると、ファーブリ・ペロ共鳴は消失し、ヘビ行進的軌道に起因する新たな電導度の振動が観測された。
• さらに磁場を増加させると、絞り部におけるLandau準位スペクトルに関連する特徴的な電導度の振動が現れた。
• Landau準位スペクトルは、量子閉じ込めとサドルポテンシャル内の脱閉じ込めの両方の効果によって歪められていた。
• 数値計算により実験観察が定量的に再現され、ヘビ状態の存在および幾何学的閉じ込めの役割が確認された。