[論文レビュー] Unveiling excitonic properties of magnons in a quantum Hall ferromagnet

Alexandre Assouline, Jong‐Gul Yoon+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 19被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、ギャップがゼロに近づくν=0の反強磁性相近くで、グラフェン量子ホールフェルミオン系における磁気モーメントに起因する電気双極子モーメントの実験的証明を初めて行った。マハトランダー干渉計を量子センサーとして用い、励起された磁気モーメントに起因する位相シフトおよび可視性の損失を観測し、これが位相のずれを引き起こす要因であることを示した。これにより、電気的制御可能な磁気モーメントベースの量子回路の実現に向けた道筋が示された。

ABSTRACT

Magnons enable transferring a magnetic moment or spin over macroscopic distance. In quantum Hall ferromagnet, it has been predicted in the early 90s that spin and charges are entangled, meaning that any change of the spin texture modifies the charge distribution. As a direct consequence of this entanglement, magnons carry an electric dipole moment. Here we report the first evidence of the existence of this electric dipole moment in a graphene quantum Hall ferromagnet using a Mach-Zehnder interferometer as a quantum sensor. By propagating towards the interferometer through an insulating bulk, the magnon electric dipole moment modifies the Aharonov-Bohm flux through the interferometer, changing both its phase and its visibility. In particular, we relate the phase shift to the sign of this electric dipole moment, and the exponential loss of visibility to the flux of emitted magnons. Finally, we probe the emission energy threshold of the magnons close to filling factor v=1. Approaching v=0, we observe that the emission energy threshold diminishes towards zero, which might be linked to the existence of gapless mode in the canted-antiferromagnetic (CAF) phase at v=0. The detection and manipulation of magnons based on their electric dipole open the field for a new type of coherent magnon quantum circuits that will be electrostatically controlled.

研究の動機と目的

• 量子ホールフェルミオンにおける磁気モーメントの励起子的性質を実験的に調査すること。
• スピン-電荷もつれによって予測された磁気モーメントの電気双極子モーメントを検出および特徴づけること。
• ν=1およびν=0の近くにおける、磁気モーメント放出のエネルギー閾値が、ホール密度係数νにどのように依存するかを調査すること。
• 干渉計における磁気モーメントに起因する位相のずれが、磁気モーメントではなく電気双極子モーメントに起因することを実証すること。
• 電気的制御可能な、整合性のある磁気モーメントベースの量子回路の可能性を検討すること。

提案手法

• 伝搬する磁気モーメントが引き起こす位相および可視性の変化を検出するために、グラフェンベースのマハトランダー干渉計（MZI）を用いた。
• トップゲート付きPN接合を用いて、ホール密度係数νTを調整し、電圧バイアスをかけたオーミック接触を介して磁気モーメントの放出を制御した。
• 発生電圧VEおよびバックゲート電圧V_BGの関数として、非局所的電圧応答およびMZI干渉振動を測定した。
• 可視性の損失が磁気モーメントのフラックスに指数関数的に比例するモデルを適用し、デコherenceを電気双極子モーメントに起因するとした。
• 位相シフトを電気双極子モーメントの符号と相関させ、強い磁場依存性を観測した。
• νBをν=1およびν=0の近くに調整することで、発生エネルギー閾値を分析し、カントド反強磁性（CAF）相に関する理論的予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ホールフェルミオンにおける磁気モーメントは、スピン-電荷もつれによって電気双極子モーメントを有するか？
• RQ2 マハトランダー干渉計における干渉を用いて、磁気モーメントの電気双極子モーメントを検出できるか？
• RQ3 磁気モーメントの放出エネルギー閾値は、ホール密度係数にどのように依存するか。特にν=0の近くでどうなるか？
• RQ4 MZIにおける観測された可視性の損失の原因は、磁気モーメントか、電気双極子モーメントか？
• RQ5 ν=0のカントド反強磁性相近くに、ギャップレスの磁気モーメントモードの証拠はあるか？

主な発見

• MZI干渉振動における位相シフトは、磁気モーメントの電気双極子モーメントの符号と直接相関しており、その存在を確認した。
• MZIにおける可視性の損失は、放出される磁気モーメントのフラックスに指数関数的に比例し、電気双極子モーメントに起因するデコherenceと整合的である。
• ホール密度係数がν=0に近づくにつれて、磁気モーメントの放出閾値はゼロに近づく傾向を示し、ギャップレスモードの存在を示唆している。
• 観測された位相のずれは、磁気モーメントや直流バイアス効果では説明できない。MZIの可視性は250 µVまでのバイアスでも安定している。
• ν=0近くでは、カントド反強磁性（CAF）相の特徴を示し、理論的に予測された単一のギャップレスモードのエネルギーがゼロに近づく。
• 本研究は、電気双極子モーメントを調整可能な自由度として用いることで、電気的制御可能な整合性のある磁気モーメントベースの量子回路の実現に向けた道筋を確立した。