[論文レビュー] Quantum anomalous Hall effect in Mn doped HgTe quantum wells

Andreas Budewitz, Kalle Bendias+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2017

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、反強磁性的秩序を示すMn²⁺イオンが駆動する超低磁場（約70 mT）におけるマンガンドープHgTe量子井戸で、量子異常ホール（QAH）効果の実現を示している。QAH状態は、交換結合によってスピンデゲネラシーが解消される臨界Mn濃度および量子井戸厚さにおいて出現し、整数量子ホール伝導度ν = −1を示す頑健なキラルエッジチャネルを形成する。このことは、温度および角度依存磁気輸送測定により確認された。

ABSTRACT

Magnetotransport measurements are presented on paramagnetic (Hg,Mn)Te quantum wells (QWs) with an inverted band structure. Gate-voltage controlled density dependent measurements reveal an unusual behavior in the transition regime from n- to p-type conductance: A very small magnetic field of approximately 70 mT is sufficient to induce a transition into the nu = -1 quantum Hall state, which extends up to at least 10 Tesla. The onset field value remains constant for a unexpectedly wide gate-voltage range. Based on temperature and angle-dependent magnetic field measurements we show that the unusual behavior results from the realization of the quantum anomalous Hall state in these magnetically doped QWs.

研究の動機と目的

• 逆バンド構造を有する反強磁性のマンガンドープHgTe量子井戸における量子異常ホール（QAH）効果の出現を調査すること。
• Mnドーピングおよび磁場が低磁場でQAH状態を安定化させる役割を特定すること。
• 観測されたQAH状態が外部の強磁性ではなく、内在的な磁性秩序に起因するものかどうかを明確にすること。
• 平行磁場依存性を用いて、QAH効果と従来の量子ホール状態を区別すること。

提案手法

• 分子ビームエpitaxyを用いて、Mn濃度0.5%〜4%、厚さ6〜11 nmの(Hg,Mn)Te量子井戸を成長させた。
• SiO₂/SiN絶縁体スタック上にAu電極を設け、ゲート電圧制御によりキャリア密度をn型からp型への遷移領域に調整した。
• 冷温磁気輸送測定を10 mKまで実施し、クライオスタットおよび高磁場磁石を用いた交流技術を用いた。
• 角度依存磁場測定を用いて、量子ホール効果における軌道的寄与と反強磁性的Mn秩序効果を区別した。
• ブルーマン関数およびゼーマン結合に基づく理論的モデリングを用いて、Mnスピン極化を計算し、実験的ホール抵抗の発現と比較した。
• ランダウ準位のファンチャートおよび微分伝導度マップを分析し、ν = −1プラトーの同定およびゲート電圧および磁場依存性の評価を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離強磁性秩序が存在しない反強磁性の(Hg,Mn)Te量子井戸で、量子異常ホール効果を実現できるか？
• RQ2 QAH状態を安定化させるために必要な最小磁場は何か？なぜそれが非常に低い（約70 mT）のか？
• RQ3 ν = −1ホールプラトーの発現は、Mnスピン極化および温度にどのように依存するか？
• RQ4 平行磁場下でもQAH状態は存続するか？その挙動は従来の量子ホール状態とどのように異なるか？
• RQ5 QW厚さおよびMn濃度が、量子スピンホール状態から量子異常ホール状態への遷移をどのように決定づけるか？

主な発見

• ν = −1量子ホールプラトーが約70 mTという超低磁場で出現し、量子異常ホール状態の発現を示している。
• ν = −1プラトーの発現は、広いゲート電圧範囲で一定のMnスピン極化⟨S⟩ ≈ 0.1を示しており、閾値磁化が必要であることを示している。
• 温度依存測定により、QAHプラトーがMnイオンの反強磁性的秩序に起因することが確認され、スピン極化の増加と一致する。
• 角度依存磁場測定により、QAHプラトーの最大垂直磁場は、平行磁場が増加するにつれて減少することが判明し、交換結合および反強磁性的秩序に起因することを確認した。
• 一方、非磁性HgTe QWにおける従来の量子ホール効果は平行磁場に影響を受けないため、QAH状態が従来のQH状態ではないことが確認された。
• QAH状態は、10 nmの厚さおよび2%のMnドーピングを持つ特定の(Hg,Mn)Te QWで安定化され、臨界厚さがバンド反転領域と一致している。