[論文レビュー] Probing the fractional quantum Hall phases in valley-layer locked bilayer MoS$_{2}$

S.G. Zhao, Jinqiang Huang+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2023

Graphene research and applications参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高移動度でバルク層ロックされた2次元電子系とゲート・誘電体工学によるチューナブルなクーロン遮へいを介して、二層モリブデンジチカルコイド（MoS₂）において、4/5および2/5の填埋率における最初の分数量子ホール（FQH）状態の観測を報告する。FQH状態は、最大34 Tの高磁場および300 mKの低温下で、量子化されたホールプラトーと抵抗の極小として現れ、二層MoS₂がトポロジカルな量子現象を制御可能なプラットフォームとして成立することを示している。

ABSTRACT

Semiconducting transition-metal dichalcogenides (TMDs) exhibit high mobility, strong spin-orbit coupling, and large effective masses, which simultaneously leads to a rich wealth of Landau quantizations and inherently strong electronic interactions. However, in spite of their extensively explored Landau levels (LL) structure, probing electron correlations in the fractionally filled LL regime has not been possible due to the difficulty of reaching the quantum limit. Here, we report evidence for fractional quantum Hall (FQH) states at filling fractions 4/5 and 2/5 in the lowest LL of bilayer MoS$_{2}$, manifested in fractionally quantized transverse conductance plateaus accompanied by longitudinal resistance minima. We further show that the observed FQH states sensitively depend on the dielectric and gate screening of the Coulomb interactions. Our findings establish a new FQH experimental platform which are a scarce resource: an intrinsic semiconducting high mobility electron gas, whose electronic interactions in the FQH regime are in principle tunable by Coulomb-screening engineering, and as such, could be the missing link between atomically thin graphene and semiconducting quantum wells.

研究の動機と目的

• 強い電子相関と高移動度を示す二層MoS₂の最低ランダウ準位における分数量子ホール（FQH）状態を調査すること。
• 半導体的トランジションメタルディ chalcogenides（TMDs）において、低キャリア密度と適切な誘電体遮へいの達成が困難なため、量子極限にアクセスする課題を克服すること。
• ゲートおよび誘電体環境を用いたクーロン相互作用の工学的制御を通じて、二層MoS₂をFQH物理学のチューナブルなプラットフォームとして確立すること。
• 強いスピン軌道結合とバルク層ロックを示す高移動度で内在的な2次元半導体におけるFQH状態の実験的証明を提供すること。

提案手法

• 300 mKまで冷却可能な低温・高磁場輸送測定を可能にするために、2次元ギャップを持つビスマス接触を用いた高品質な二層MoS₂デバイスを作製した。
• 最大34 Tの高磁場を用い、横方向電導度および縦方向抵抗を測定することで、FQHプラトーと極小を特定した。
• 六方窒化硼（h-BN）誘電体および上下ゲートを用いてクーロン遮へいを工学的に制御し、有効相互作用ポテンシャルを調整した。
• 長距離（ゲート遮へい）および短距離（層状構造）の両方の遮へいを考慮した、誘電体正規化されたRytova-Keldyshポテンシャルを用いて有効クーロン相互作用をモデル化した。
• ハルデーンの擬スピンポテンシャルを用い、フェルミオンに特に関連する最初の3つの奇数モーメント（V₁、V₃、V₅）に注目して、最低ランダウ準位へのクーロンポテンシャルの射影を行った。
• 最大13粒子のトーラス上での正確な対角化を実行し、多体基底状態をシミュレートして、ν = 4/5および2/5におけるFQH状態の安定性を確認した。

Fig. 1 : Electrical transport in bilayer MoS 2 in the single-particle regime. (a) Schematic illustration of the fabricated device. (b) Optical image of a typical dual-gated bilayer MoS 2 device. One of the 2D contact windows is highlighted by black dashed lines. Scale is 5 $\mu$ m. (c) Art view of t

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いスピン軌道結合とバルク層ロックを示す、スピン軌道結合とバルク層ロックを示す半導体的遷移金属ジ chalcogenide（TMD）としての二層MoS₂の最低ランダウ準位において、分数量子ホール状態が実現され、検出可能か？
• RQ2 誘電体環境およびゲート遮へいは、二層MoS₂におけるFQH状態の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 二層MoS₂におけるクーロン相互作用は、4/5および2/5といった特定の填埋率におけるFQH状態の安定化に、どの程度チューニング可能か？
• RQ4 磁場長さおよび層間隔は、この系における有効相互作用とFQH状態形成にどのように寄与するか？
• RQ5 実際の擬スピンポテンシャルパラメータを用いた多体ハミルトニアンの正確な対角化により、観測されたFQH状態は理論的に確認可能か？

主な発見

• 22 Tから34 Tの磁場範囲で、横方向電導度の量子化プラトーおよび縦方向抵抗の極小として、二層MoS₂において4/5および2/5の填埋率における分数量子ホール状態が観測された。
• FQH状態は磁場長さ ℓ_B ≈ 4.5–6 nm の範囲で安定しており、これは量子極限に近いキャリア密度に対応する。
• 観測されたFQH状態は誘電体およびゲート遮へいに強く依存しており、誘電率 ε ≈ 5 および層間隔 δ = 0.65 nm を用いてクーロン相互作用が調整された。
• ハルデーンの擬スピンポテンシャルと正確な対角化を用いた理論的モデリングにより、ν = 4/5およびν = 2/5におけるFQH状態の安定性が確認され、基底状態エネルギーの分裂が不可圧縮FQH状態と整合的であった。
• ゲートおよび誘電体工学により相互作用強度をチューニング可能であるため、この系はトポロジカルな量子相を研究する上で有望なプラットフォームである。
• データおよび正確な対角化コードは、ZenodoおよびDiagHamを通じて公開されており、再現性およびさらなる理論的探求を可能としている。

Fig. 2 : Electrical transport in bilayer MoS 2 in the single-particle regime. (a) Landau fan of sample-BS1 measured at $T$ = 300 mK and $V_{\textrm{bg}}$ = 4.72 V, in the magnetic field range from 0 to 12 T. White dashed lines are guides to eyes, and their crossing point indicates the band edge. (b)