[論文レビュー] Quantum Hall phase in graphene engineered by interfacial charge coupling

Yaning Wang, Xiang Gao+19 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2021

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、反強磁性絶縁体CrOClと界面を形成するグラフェンにおいて、界面における電荷結合が誘導する、ゲートで調整可能な放物線的依存関係（電界Dと磁場Bの間）を示す、新しい量子ホール状態を実証した。この現象により、ゼロ磁場下でもランダウ準位の量子化が可能となり、100 Kまでの広いドーピング範囲（0–10¹³ cm⁻²）で安定して観測された。これは、界面結合を介したトポロジカルな量子状態を設計・制御する新たな道筋を示している。

ABSTRACT

Quantum Hall effect (QHE), the ground to construct modern conceptual electronic systems with emerging physics, is often much influenced by the interplay between the host two-dimensional electron gases and the substrate, sometimes predicted to exhibit exotic topological states. Yet the understanding of the underlying physics and the controllable engineering of this paradigm of interaction remain challenging. Here we demonstrate the observation of an unusual QHE, which differs markedly from the known picture, in graphene samples in contact with an anti-ferromagnetic insulator CrOCl equipped with dual gates. Owing to the peculiar interfacial coupling, Landau levels in monolayer graphene remain intact at negative filling fractions, but largely deviated for the positive gate-doping range. The latter QHE phase even presents in the limit of zero magnetic field, with the consequential Landau quantization following a parabolic relation between the displacement field $D$ and the magnetic field $B$. This characteristic prevails up to 100 K in a sufficiently wide effective doping range from 0 to 10$^{13}$ cm$^{-2}$. Our findings thus open up new routes for manipulating the quantum electronic states, which may find applications in such as quantum metrology.

研究の動機と目的

• グラフェンと反強磁性絶縁体の間の界面における電荷結合が、量子ホール物理学に与える影響を調査すること。
• 反強磁性絶縁体であるCrOClが、カプセル化されたグラフェンに特異なトポロジカルな量子相を誘発できるかどうかを検討すること。
• 二重ゲートによるチューニングと界面結合を用いて、グラフェンにおけるランダウ準位の量子化を設計・制御すること。
• 温度、ドーピング、磁場条件の変化に対する観測された量子ホール状態の安定性と頑健性を特定すること。

提案手法

• 乾式転写法を用いて、窒化ホウ素（h-BN）とCrOClでカプセル化した二重ゲート型グラフェンヘテロ構造を形成した。
• BlueFors LD250クライオスタットとQuantum Design PPMSシステムを用いて、ミリケルビン温度まで冷却した電気的輸送測定を実施した。
• 二重ゲートのフィールド効果測定を用いて、全キャリア密度（n_tot）と電界（D）をチューニングし、B–D–n_tot空間における相図をマッピングした。
• 表面の粗さおよび界面構造を特徴づけるために、原子間力顕微鏡（AFM）および走査トンネル顕微鏡（STM）を実施した。
• 電子状態と界面における電荷秩序をモデル化するため、GGA+UおよびDFT+D2補正を施した密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 観測された放物線的B–D依存関係の起源を説明する低エネルギー有効模型を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反強磁性絶縁体（例：CrOCl）からの界面電荷結合が、グラフェンに新しい量子ホール状態を誘起できるか？
• RQ2 外部磁場が存在しない状況で観測された磁場（B）と電界（D）の間の放物線的関係の起源は何か？
• RQ3 強い界面結合下で、二重ゲートチューニングによるランダウ準位構造はどのように変化するか？
• RQ4 この新しい量子ホール状態は、温度およびドーピングの変化に対してどの程度頑健か？
• RQ5 CrOClにおける長波長電荷秩序およびグラフェンにおけるバンド再構築が、この状態の実現に果たす役割は何か？

主な発見

• グラフェン/CrOClヘテロ構造において、ゼロ磁場下でも磁場（B）と電界（D）の間の放物線的依存関係を示す、新しい量子ホール状態が出現した。
• この状態は、0から10¹³ cm⁻²の広いドーピング範囲で100 Kまで安定しており、高い熱的およびドーピング耐性を示した。
• 正のゲート電圧下で強い界面結合が成立する状況では、通常のファン型パターンからキャスケード型構造に変わるランダウ準位のファンダイアグラムが観測された。
• DFT計算により、CrOClにおける長波長電荷秩序とそれに続くグラフェンのバンド再構築が、観測された相の物理的起源であると特定された。
• 強い界面結合がこの相を安定化しており、特に正のゲート電圧および低温条件下で顕著に現れた。
• 観測された効果により、電界のみを用いたランダウ準位の量子化の完全な制御が可能となり、トポロジカル状態の設計に新たな道筋が開かれた。