[논문 리뷰] Evidence for correlated electron pairs and triplets in quantum Hall interferometers

Wenmin Yang, David Perconte외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 12. 22.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 그래핀 기반 양자홀 파르티게르-페로트 간섭계에서 전자 쌍화 및 삼중화 현상을 실험적으로 입증하며, 플런저 게이트 분광법을 통해 얽힌 표면 모드를 해명한다. ν=2에서 전자 쌍화를 나타내는 h/2e 자기류 주기성을 관찰하고, ν=3에서 전자 삼중화를 드러내는 h/3e 주기성을 발견하여 기존의 중성온을 통한 전자 쌍화 이론에 도전한다.

ABSTRACT

Pairing of electrons is ubiquitous in electronic systems featuring attractive inter-electron interactions, as exemplified in superconductors. Counter-intuitively, it can also be mediated in certain circumstances by the repulsive Coulomb interaction alone. Quantum Hall (QH) Fabry-Pérot interferometers (FPIs) tailored in two-dimensional electron gas under a perpendicular magnetic field has been argued to exhibit such unusual electron pairing seemingly without attractive interaction. Here, we show evidence in graphene QH FPIs revealing not only a similar electron pairing at bulk filling factor nu=2 but also an unforeseen emergence of electron tripling characterized by a fractional Aharonov-Bohm flux period h/3e (h is the Planck constant and e the electron charge) at nu=3. Leveraging a novel plunger-gate spectroscopy, we demonstrate that electron pairing (tripling) involves correlated charge transport on two (three) entangled QH edge channels. This spectroscopy indicates a quantum interference flux-periodicity determined by the sum of the phases acquired by the distinct QH edge channels having slightly different interfering areas. While recent theory invokes the dynamical exchange of neutral magnetoplasmons -- dubbed neutralons -- as mediator for electron pairing, our discovery of three entangled QH edge channels with apparent electron tripling defies understanding and introduces a new three-body problem for interacting fermions.

연구 동기 및 목표

• 자연스럽지 않은 인력이 존재하는 상황에서도 전자 쌍화가 발생하는 양자홀 간섭계에서 상관 전자 운반의 성격을 조사하기 위해.
• 높은 채움 인자, 특히 ν=3에서 전자 삼중화가 나타나는지 확인하고, 이는 h/3e 자기류 주기성으로 특징지어진다.
• 새로운 플런저 게이트 분광법 기술을 통해 상관 운반에 관여하는 특정 표면 모드를 규명하기 위해.
• 쿠론 상호작용과 자기장의 영향 하에서 다중 표면 모드 간의 양자 간섭과 그 상호작용을 이해하기 위해.
• 중성온 교환 기반 기존 이론 모델을 도전하고 확장하기 위해, 상호작용하는 페르미온에 대한 새로운 삼체 프레임워크가 필요하다는 점을 밝히기 위해.

제안 방법

• hBN 봉합과 이중 분할 게이트 양자점 접합을 갖춘 그래핀 기반 양자홀 파르티게르-페로트 간섭계를 구축하여 간섭계의 고리 구조를 정의하였다.
• 플런저 게이트를 사용하여 표면 모드에 의해 둘러싸인 효과적인 면적을 전기적으로 조절하고, 게이트 분광법을 통해 표면 모드와의 용량 결합을 측정하였다.
• 자기장과 게이트 전압을 변화시키며 비평형 운반 측정을 체계적으로 수행하여 대각 전도도에서 간섭 무늬를 매핑하였다.
• 관측된 간섭 무늬를 적합하기 위해 가우시안 감쇠 단계 변동의 현상학적 모델을 적용하였으며, 전도도 진동의 조화 분해를 수행하였다.
• 게이트 전압의 리버 어름과 주파수 의존성에서 유도된 거리 계산을 통해 플런저 게이트와 각 간섭 표면 모드 사이의 거리를 계산하였다.
• 전도도 진동의 자기류 주기성을 분석하여 효과적인 전하를 규명하였으며, ν=2에서 쌍화는 h/2e, ν=3에서 삼중화는 h/3e로 확인되었다.

Figure 1: Graphene quantum Hall Fabry-Pérot interferometer. a , Atomic force microscope image of the hBN encapsulated graphene heterostructure. Ohmic contacts are highlighted in yellow (with a rough surface), while quantum point contact (QPC) electrodes and the plunger gate are highlighted in light

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ν=2에서 관측된 그래핀 양자홀 간섭계에서의 상관 전자 운반의 성격은 무엇이며, 이는 전자 쌍화와 일치하는가?
• RQ2 ν=3에서 전자 삼중화가 나타나는가? 만약 그렇다면, 이는 분수형 아하로노프-보함 자기류 주기성 h/3e로 특징지어지며, 그 기반이 되는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 어느 특정 표면 모드들이 상관 운반에 간섭적으로 관여하며, 이들의 상대 기여는 채움 인자에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 채움 인수의 함수로서 쿠론 주도 간섭에서 아하로노프-보함 주도 간섭으로의 전이 과정은 어떻게 이루어지는가?
• RQ5 관측된 현상은 기존 이론, 특히 중성온 교환 기반 이론으로 설명될 수 있는가, 아니면 상호작용하는 페르미온에 대한 새로운 삼체 이론이 필요하는가?

주요 결과

• ν=2에서 간섭계는 h/2e의 반으로 줄어든 자기류 주기성을 보이며, 효과적인 전하가 약 2e인 전자 쌍의 상관 운반을 나타낸다.
• ν=3에서 h/3e의 명백한 자기류 주기성이 관측되어, 세 개의 얽힌 표면 모드에 의해 발생하는 전자 삼중화의 직접적 증거를 제공한다.
• 플런저 게이트 분광법은 ν=3에서 간섭하는 세 표면 모드가 공간적으로 분리되어 있으며, 주파수-전압 의존성으로부터 약 100–150 nm의 게이트-채널 거리가 도출됨을 보여준다.
• ν=3에서의 간섭 무늬는 세 개의 조화 성분의 합으로 가장 잘 기술되며, 진폭은 A₁=0.25e²/h, A₂=0.052e²/h, A₃=0.0125e²/h로, 다중 채널 간섭 운반이 공진적으로 일어남을 시사한다.
• 외부 표면 모드의 기여도와 쌍/삼중 상태의 기여도는 백게이트 전압에 따라 변화하며, ν=2.26에서 쌍화가 간섭 신호를 지배한다.
• 내부 표면 모드에서 쿠론 주도 간섭에서 아하로노프-보함 주도 간섭으로의 전이가 연속적으로 일어나며, 채움 인수에 따라 상관관계를 가지며, 더 높은 ν에서 더 강한 자기장 효과로 인해 후자의 영역이 나타난다.

Figure 2: Gate-spectrocopy of inner channel Aharonov-Bohm interference a , Diagonal conductance as a function of plunger-gate voltage $V_{\rm{pg}}$ . b , Checkerboard pattern of the conductance oscillation as a function of $V_{\rm{pg}}$ and dc bias voltage. c , Calculated checkerboard pattern in the