[論文レビュー] Skyrmion solids in monolayer graphene

Haoxin Zhou, Hryhoriy Polshyn+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 42被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、モノレイヤーグラフェンにおけるスカイム粒子固体の初回直接観測を報告する。ここでは、電子相関が最低ランダウ準位における非同一スピン配置を引き起こし、填埋因子 ν=1 の近くで顕著になる。修正されたコルビーノ幾何学を用いて、絶縁状態におけるスピン波輸送の抑制を検出することで、強いスピン配置を持つ荷電スカイム粒子格子の形成を確認した。一方、電荷伝導度は絶縁的であり、従来の電子固体とは異なる量子相が存在することを示唆している。

ABSTRACT

Partially filled Landau levels host competing orders, with electron solids prevailing close to integer fillings before giving way to fractional quantum Hall liquids as the Landau level fills. Here, we report the observation of an electron solid with noncolinear spin texture in monolayer graphene, consistent with solidification of skyrmions---topological spin textures characterized by quantized electrical charge. In electrical transport, electron solids reveal themselves through a rapid metal-insulator transition in the bulk electrical conductivity as the temperature is lowered, accompanied by the emergence of strongly nonlinear dependence on the applied bias voltage. We probe the spin texture of the solids using a modified Corbino geometry that allows ferromagnetic magnons to be launched and detected. We find that magnon transport is highly efficient when one Landau level is filled ($ν=1$), consistent with quantum Hall ferromagnetic spin polarization; however, even minimal doping immediately quenches the the magnon signal while leaving the vanishing low-temperature charge conductivity unchanged. Our results can be understood by the formation of a solid of charged skyrmions near $ν=1$, whose noncolinear spin texture leads to rapid magnon decay. Data near fractional fillings further shows evidence for several fractional skyrmion crystals, suggesting that graphene hosts a vast and highly tunable landscape of coupled spin and charge orders.

研究の動機と目的

• 強い電子相関によってトポロジカルスピン配置を有するはずであると予測されるモノレイヤーグラフェンにおいて、スカイム粒子固体の存在を調べること。
• スピン波輸送による独自のスピン配置の検出を通じて、スカイム粒子固体を従来の電子固体から区別すること。
• 静電的チューニングと輸送測定を用いて、特に ν=1 および分数填埋因子近傍における相関電子状態の相図をマッピングすること。
• スカイム粒子固体が最低ランダウ準位に形成されるかどうかという長年の未解決問題を解消すること。理論的には予測されているが、実験的確認はなされていなかった。

提案手法

• 三つの領域でキャリア密度を独立に制御可能な、二重グラファイトトップゲートおよびボトムゲート、ならびにシリコンバックゲートを備えた、超高品質なモノレイヤーグラフェンデバイスをフォーマットした。
• 微分伝導度測定を用いて、σxx に比例する G を用いて、バルク電気伝導度をプローブした。これにより金属-絶縁体転移を検出可能となった。
• 修正されたコルビーノ構成を用いて、フェロ磁性スピン波を注入・検出可能とし、スピン配置に感受性な非局所輸送測定を実施した。
• スピン波の注入および検出のためのフェロ磁性状態を確立するため、領域 II と III をそれぞれ ν=1 および ν=2 にチューニングした。
• 20 mK から 600 mK の温度依存的伝導度測定を実施し、非単調な dG/dT の振る舞いを示す絶縁状態を同定した。
• 低周波数交流励起（17.777 Hz）と高周波数非局所励起（1234.5 Hz）を用いたロックイン技術により、ノイズと位相シフトを最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的に予測されているように、モノレイヤーグラフェンの最低ランダウ準位に ν=1 近傍でスカイム粒子固体が形成されるか？
• RQ2 スピン波輸送を用いて、そのような固体のスピン配置を直接プローブできるか。また、従来の電子固体とはどのように異なるか？
• RQ3 ν=1 近傍の絶縁状態の性質は何か。荷電スカイム粒子の形成とどのように関係しているか？
• RQ4 分数填埋因子では複数のスカイム粒子固体相が存在するか。キャリア密度および磁場によってどのようにチューニングされるか？
• RQ5 スピン配置と電荷秩序の相乗作用が、量子ホール状態における輸送特性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ν=1 および ν=0 近傍で異常な絶縁状態を観測し、T ≈ 300–600 mK で金属-絶縁体転移を示した。dG/dT が負から正に変化するため、金属的輸送の破綻を示唆している。
• ν=1 ではスピン波輸送が非常に効率的であり、量子ホールフェロ磁性状態に一致するが、わずかなドーピングでも急速に抑制される。これは強いスピン配置を示唆している。
• 低温での電荷伝導度がゼロであるにもかかわらずスピン波信号が抑制されることから、スカイム粒子固体に特徴的な非同一スピン配置の存在が確認された。
• 分数填埋因子近傍で複数の分数スカイム粒子格子の存在が観測され、スピン-電荷秩序状態の複雑でチューナブルな相図が存在することが示唆された。
• |νI − νII| < 1 の範囲で顕著な直列抵抗が観測されず、測定された伝導度が界面効果ではなくバルク σxx に支配されていることを確認した。
• 1234.5 Hz の励起周波数を用いることで、高い信号対ノイズ比を達成し、非局所スピン波検出が可能になった。これにより、スピン配置効果の明確な同定が可能となった。