[論文レビュー] Rectification by hydrodynamic flow in an encapsulated graphene Tesla valve

Johannes Geurs, Youngwook Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、ヘテロエピタクシーレイヤーに封止されたグラフェンを用いたテスラバルブが、流体的電子流れを活用して非可逆的輸送を実現し、電子的粘性ダイオードとして機能することを示している。整流効果は、流体的状態と整合するキャリア密度および温度で現れ、バルビンまたは拡산的状態では消える。これは、モアレ超格子におけるファン・ホーフェー特異点でのリーフシッツ遷移と関連しており、整流の起源が粘性電子流れであることを確認している。

ABSTRACT

Systems in which interparticle interactions prevail can be described by hydrodynamics. This regime is typically difficult to access in the solid state for electrons. However, the high purity of encapsulated graphene combined with its advantageous phonon properties make it possible, and hydrodynamic corrections to the conductivity of graphene have been observed. Examples include electron whirlpools, enhanced flow through constrictions as well as a Poiseuille flow profile. An electronic device relying specifically on viscous behaviour and acting as a viscometer has however been lacking. Here, we implement the analogue of the Tesla valve. It exhibits nonreciprocal transport and can be regarded as an electronic viscous diode. Rectification occurs at carrier densities and temperatures consistent with the hydrodynamic regime, and disappears both in the ballistic and diffusive transport regimes. In a device in which the electrons are exposed to a Moiré superlattice, the Lifshitz transition when crossing the Van Hove singularity is observed in the rectifying behaviour.

研究の動機と目的

• 封止グラフェンにおける流体的電子流れを活用して、電子的粘度計として機能するデバイスを実現すること。
• バルビンまたは拡散的効果とは異なり、粘性電子ダイナミクスに起因する特定の非可逆的輸送（整流）を実証すること。
• 機械的テスラバルブを模した幾何学的設計を施したデバイスにおける電子流体力学の役割を調査すること。
• 特にファン・ホーフェー特異点におけるリーフシッツ遷移が、モアレ超格子における粘性整流に与える影響を調べること。

提案手法

• 主チャネルと傾斜したサイドループを備えたテスラバルブ幾何形状を持つ、グラフェン-hBNヘテロ構造デバイスを作製した。これにより、非対称な流れ抵抗が誘発された。
• デュアルゲート、4端子測定を用いてキャリア密度および温度を制御し、流体的状態へのアクセスを可能にした。
• 非可逆的輸送の定量的指標として、$ D = (R_f - R_b)/(R_f + R_b) $ で定義されるダイオード性を用いた。ここで $ R_f $ および $ R_b $ はそれぞれ順方向および逆方向抵抗である。
• 同じデバイスをテスラバルブ幾何形状にパターン加工する前後で比較し、幾何的要因に起因する整流効果を、内在的または接触効果から分離した。
• キャリア密度および温度を関数として抵抗およびダイオード性を測定し、流体的状態の特定と、ファン・ホーフェー特異点との関連を整流特性と照合した。
• 機械的テスラバルブの流体力学的シミュレーションを実施し、流体的メカニズムの妥当性を検証し、電子流れの非対称性の解釈を支援した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 封止グラフェンにおける流体的電子流れは、幾何学的設計を施したデバイスで非可逆的輸送を生じるか？
• RQ2 観測された整流効果は、バルビンまたは拡散的輸送状態では消えるか？ これにより、粘性電子ダイナミクスがその起源であることが確認されるか？
• RQ3 ファン・ホーフェー特異点におけるリーフシッツ遷移は、モアレ超格子における粘性整流にどのように影響を与えるか？
• RQ4 観測された整流効果は幾何的効果か、それともファンデルワールスヘテロ構造または接触の内在的性質に起因するか？
• RQ5 非可逆的幾何形状を用いたグラフェンベースのデバイスは、粘性電子流れを活用して粘度計として機能できるか？

主な発見

• テスラバルブ幾何形状における整流効果は、流体的状態で顕著に強化され、80 Kおよびホール密度約 $-10 \times 10^{11} \, \text{cm}^{-2}$ でダイオード性が最大で約0.6に達するが、バルビンおよび拡散的状態では消える。
• デバイスは、約80 Kおよび高ホール密度に位置する明確な粘性整流特徴を示し、これはパターン加工後にのみ出現するため、その起源が幾何的要因であることが確認された。
• $ n \approx \pm 28 \times 10^{11} \, \text{cm}^{-2} $ 付近に見られる二次的ディラックピークは、$1^\circ$未満のねじれ角を有するモアレ超格子を示しており、整流特性の変化と相関している。
• ファン・ホーフェー特異点におけるリーフシッツ遷移は、整流に寄与する粘性項の符号変化と直接関連しており、遷移付近でのダイオード性測定で確認された。
• ダイオード性は、定電流、定電圧、および微小抵抗測定の異なる測定プロトコルにおいても安定しており、流体的整流効果の一貫性が裏付けられた。
• パターン加工前の正方形形状デバイスの制御実験では、チャージ中性点付近でわずかな、温度に依存しないダイオード性が観測された。これにより、テスラバルブ幾何形状における強い整流効果が、内在的性質ではなく幾何的要因に起因することが確認された。