[論文レビュー] Visualizing Broken Symmetry and Topological Defects in a Quantum Hall Ferromagnet

Xiaomeng Liu, Gelareh Farahi+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、スキャントンネル分光法（STS）を用いて、グラフェンベースの量子ホールフェルミオン系における対称性の破れおよびトポロジカルな欠陥を可視化する。磁場の調整によって、谷極性状態から間谷間コherently状態への連続的量子相転移が観測され、電荷を帯びた欠陥に結合した谷スカーミオンを直接像として得ており、相関する量子相におけるトポロジカル励起状態の直接的証明を提供する。

ABSTRACT

The interaction between electrons in graphene under high magnetic fields drives the formation of a rich set of quantum Hall ferromagnetic phases (QHFM), with broken spin or valley symmetry. Visualizing atomic scale electronic wavefunctions with scanning tunneling spectroscopy (STS), we resolve microscopic signatures of valley ordering in QHFM and fractional quantum Hall phases of graphene. At charge neutrality, we observe a field-tuned continuous quantum phase transition from a valley polarized state to an intervalley coherent state, with a Kekule distortion of its electronic density. Mapping the valley texture extracted from STS measurements of the Kekule phase, we visualize valley skyrmion excitations localized near charged defects. Our techniques can be applied to examine valley ordered phases and their topological excitations in a wide range of materials.

研究の動機と目的

• グラフェンの量子ホールフェルミオン相における微視的電子波動関数を直接可視化すること。
• 高磁場下における谷対称性の破れおよびそのトポロジカル励起状態の性質を解明すること。
• 谷極性状態と間谷間コherently状態の間の場磁場調整による量子相転移を観測し、その特徴を同定すること。
• 電荷を帯びた欠陥付近に局在する谷スカーミオン励起状態を特定し、マッピングすること。
• 相関する2次元材料における谷秩序相およびそのトポロジカル欠陥を研究する汎用的な手法を示すこと。

提案手法

• 高磁場下のグラフェンにおいて、原子スケールの電子波動関数をマップするためにスキャントンネル分光法（STS）を用いる。
• 局所状態密度の空間的変動を分析することで、STS測定から谷のテクスチャを抽出する。
• 電子密度におけるケクレ型歪みが、間谷間コherently状態の兆候であると特定する。
• 谷秩序パラメータの空間的分布を再構築し、量子相のテクスチャを可視化する。
• 電荷を帯びた不純物の周囲での谷テクスチャのねじれを分析することで、トポロジカル欠陥（例：谷スカーミオン）を同定する。
• 磁場およびゲート電圧を変化させることで、系を量子相転移の領域にチューニングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンの量子ホールフェルミオン系における谷秩序相の微視的構造は何か？
• RQ2 系はどのようにして谷極性状態と間谷間コherently状態の間の連続的量子相転移を経るか？
• RQ3 これらの相関する相におけるトポロジカル励起状態（例：谷スカーミオン）の性質は何か？
• RQ4 谷スカーミオンはどのようにして電荷を帯びた欠陥付近に局在化し、安定化されるか？
• RQ5 スキャントンネル分光法は、原子精度で谷テクスチャおよびトポロジカル欠陥を解像できるか？

主な発見

• 磁場の調整により、電荷中性状態において谷極性状態から間谷間コherently状態への連続的量子相転移が観測された。
• 間谷間コherently状態では、STSデータにおける空間的モード変動によって、電子密度にケクレ型歪みが確認された。
• 谷テクスチャが直接可視化され、スカーミオン励起状態に特徴的なねじれパターンが明らかになった。
• 谷スカーミオンは、グラフェン格子内の電荷を帯びた不純物に結合した局在的トポロジカル欠陥として像として得られた。
• 谷スカーミオンの空間的スケールおよびコア構造が原子スケールで解像され、そのトポロジカル性が確認された。
• 本手法により、さまざまな2次元材料における相関する量子相のトポロジカル欠陥および対称性の破れを直接観測可能となった。