[논문 리뷰] Electronic ratchet effect in a moiré system: signatures of excitonic ferroelectricity

Zhi-Ren Zheng, Xueqiao Wang외 18명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 06.

Advanced Memory and Neural Computing인용 수 10

한 줄 요약

층-대조 그래핀-보론 나이트라이드 모아이어 시스템에서 전자 래킷 효과를 입증하고, 조정 가능한 잔류 극화와 다중 메모리 상태를 가진 엑시톤 구동(엑시토닉) 강유전체성을 보여준다.

ABSTRACT

Electronic ferroelectricity represents a new paradigm where spontaneous symmetry breaking driven by electronic correlations, in contrast to traditional lattice-driven ferroelectricity, leads to the formation of electric dipoles. Despite the potential application advantages arising from its electronic nature, switchable electronic ferroelectricity remains exceedingly rare. Here, we report the discovery of an electronic ratchet effect that manifests itself as switchable electronic ferroelectricity in a layer-contrasting graphene-boron nitride moiré heterostructure. Our engineered layer-asymmetric moiré potential landscapes result in layer-polarized localized and itinerant electronic subsystems. At particular fillings of the localized subsystem, we find a ratcheting injection of itinerant carriers in a non-volatile manner, leading to a highly unusual ferroelectric response. Strikingly, the remnant polarization can be stabilized at multiple (quasi-continuous) states with behavior markedly distinct from known ferroelectrics. Our experimental observations, simulations, and theoretical analysis suggest that dipolar excitons are the driving force and elementary ferroelectric units in our system. This signifies a new type of electronic ferroelectricity where the formation of dipolar excitons with aligned moments generates a macroscopic polarization and leads to an electronically-driven ferroelectric response, which we term excitonic ferroelectricity. Such new ferroelectrics, driven by quantum objects like dipolar excitons, could pave the way to innovative quantum analog memory and synaptic devices.

연구 동기 및 목표

• 격자 변위가 아닌 전자 상관에 의해 구동되는 전자 강유전체성을 조사한다.
• 층-비대칭 모아이어 포텐셜이 순환 이동하는 전자와 국소화된 전자 하위 시스템의 공존을 어떻게 만들어내는지 탐구한다.
• 쌍극성 엑시톤이 스위치 가능한 극화를 생성하는 기본 강유전체 단위로 작용할 수 있는지 결정한다.

제안 방법

• 상단 BN과 하단 BN 사이에 두께 불일치가 큰 BLG를 제작하여 층-대조 모아이어 포텐셜을 형성한다.
• 상단 게이트와 하단 게이트 전압의 함수로 4-프로브 저항도 매핑을 통해 수송 특성을 특성화하고 LSAS 및 래칭(regimes)을 식별한다.
• Hall 측정과 총 전하 밀도로부터 이동 전하 밀도 n_I와 국소화 전하 밀도 n_L을 분리하기 위해 이동 전하 밀도와 국소화 전하 밀도를 추출한다.
• 경험적 Preisach 유사 히스테론 모델을 사용하여 편극 동역학을 분석하고 P-D 루프를 재현한다.
• 쌍극자 강유전체 단위의 메커니즘으로 엑시톤 형성의 제안과 정량화를 수행하고 에너지 규모(갭 Δ, 결합에너지 E_B)와 비교한다.
• 시뮬레이션과 ab initio 통찰을 사용하여 층간 엑시톤 결합 에너지와 국소화 상태의 갭을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 층-비대칭 모아이어 포텐셜이 이동 전자와 국소화 전자 하위 시스템의 공존을 가능하게 하여 전자 강유전체성을 촉발하는가?
• RQ2 엑시톤 쪽으로의 쌍극자들이 모아이어 시스템에서 스위치 가능한 강유전체 극화를 이끄는 기본 단위가 될 수 있는가?
• RQ3 잔류 극화의 특성과 변위장 및 게이트 전압을 통한 가변성은 어떠한가?
• RQ4 이동 전자와 국소화 하위 시스템 간의 결합이 래쳇과 유사한, 준 연속적 메모리 동작을 어떻게 만들어내는가?

주요 결과

• 잔류 극화의 지속성으로, D = 0에서 비휘발적이고 스위치 가능한 n_H가 나타나 강유전체 특성을 시사한다.
• LSAS와 래칭(regimes)이 교대하는 캐스케이드 패턴이 관찰되어, 이동하는 carriers와 층-편향된 국소화 상태가 공존함을 보여준다.
• 엑시톤 형성을 구동하는 강유전체 단위로서의 입증은 고정 폭의 히스테시스와 준 연속적인 기억 상태 집합을 생성한다는 증거를 제공한다.
• 래칫 효과로 인해 적용 가능한 최대 변위장(D-필드 범위)에 따라 면적이 연속적으로 확장될 수 있는 강유전체 루프를 시연한다.
• 층간 엑시톤 결합 에너지의 상당한 추정치(~100 meV)는 관찰 에너지 갭 및 국소화와 호환된다.
• 히스테리시스를 포착하고 최대 적용 변위장에 따른 잔류 극화의 3단계 의존성을 설명하는 경험적 모델(Preisach-유사)을 제시한다.