[論文レビュー] Quantum interference and carrier collimation in graphene heterojunctions

Andrea F. Young, Philip Kim|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2008

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、静電的に作られたp-nジャンクションによって形成された狭いグラフェンヘテロ構造において、量子コンダクタンスの揺動を実証した。この結果、これらのジャンクションがバルク粒子をコリメートし、完全透過を可能にすることを直接観測し、クライントンネル効果を裏付けた。揺動はジャンクション間の共鳴キャビティに起因し、2次元で閉じ込められていない系における電子のコリメーションと量子干渉を確認した。

ABSTRACT

The observation of quantum conductance oscillations in mesoscopic systems has traditionally required the confinement of the carriers to a phase space of reduced dimensionality. While electron optics such as lensing and focusing have been demonstrated experimentally, building a collimated electron interferometer in two unconfined dimensions has remained a challenge due to the difficulty of creating electrostatic barriers that are sharp on the order of the electron wavelength. Here, we report the observation of conductance oscillations in extremely narrow graphene heterostructures where a resonant cavity is formed between two electrostatically created bipolar junctions. Analysis of the oscillations confirms that p-n junctions have a collimating effect on ballistically transmitted carriers. The phase shift observed in the conductance fringes at low magnetic fields is a signature of the perfect transmission of carriers normally incident on the junctions and thus constitutes a direct experimental observation of ``Klein Tunneling.''

研究の動機と目的

• 従来のキャリア閉じ込めを用いない2次元で閉じ込められていないグラフェン系において、量子コンダクタンスの揺動を観測すること。
• グラフェンのp-nジャンクションがバルク粒子の電子コリメーターとして機能するかどうかを調査すること。
• 低磁場下における位相差を有するコンダクタンスフレアの観測を通じて、クライントンネル効果を実験的に確認すること。

提案手法

• 静電的ゲーティングを用いて、2つのバイポーラp-nジャンクションを形成する極めて狭いグラフェンヘテロ構造を作製した。
• 2つのp-nジャンクション間に共鳴キャビティを形成し、バルク粒子の量子干渉を可能にした。
• ゲート電圧の関数としてのコンダクタンス揺動を測定し、量子干渉効果を調査した。
• 低磁場下でのコンダクタンスフレアの位相差を分析し、正常入射粒子に対する完全透過の兆候を特定した。
• 理論的モデリングを用いて、観測された揺動が電子のコリメーションと共鳴トンネルに起因することを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のキャリア閉じ込めを用いない2次元で閉じ込められていないグラフェン系において、量子コンダクタンスの揺動を観測できるか？
• RQ2 グラフェンのp-nジャンクションはバルク粒子にコリメーション効果を示すか？
• RQ3 低磁場下におけるコンダクタンスフレアの位相差は、グラフェンにおけるクライントンネル効果の直接的兆候か？
• RQ4 静電的に定義されたp-nジャンクション間の共鳴キャビティ形成は、観測可能な量子干渉を引き起こすか？
• RQ5 正常入射透過率は、観測されたコンダクタンス揺動においてどのような役割を果たすか？

主な発見

• 2つの静電的に作られたp-nジャンクションによって形成された狭いグラフェンヘテロ構造において、共鳴キャビティ内の量子干渉を示すコンダクタンス揺動が観測された。
• 低磁場下でのコンダクタンスフレアの位相差は、正常入射粒子に対する完全透過の直接的実験的証明を示し、クライントンネル効果を確認した。
• p-nジャンクションは電子コリメーターとして機能し、バルク粒子を狭いビームに集束させる。これは干渉的挙動に不可欠である。
• 観測された揺動は、キャリアがジャンクションを通じて共鳴トンネルを経験し、経路差に起因する干渉パターンが生じるモデルと整合的である。
• この系は、物理的閉じ込めがなくても、2次元で閉じ込められていないグラフェンにおいても、コリメーションや干渉といった電子光学的現象を実現できることを示している。