[논문 리뷰] Phase-coherent loops in selectively-grown topological insulator nanoribbons

Jonas Kölzer, Daniel Rosenbach외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 23.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 62인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 유니버설 전도도 변동과 약한 반국소화를 통해 선택적으로 성장시킨 (Bi0.57Sb0.43)2Te3 나노리본에서 위상적 전도도 나노구조에서 장거리 양자 위상 공명을 나타내는 단계 일관성 있는 전자 이동을 입증한다. 각도에 의존하는 자기장 전도도 측정을 통해, 페르미면에 평행하게 정렬된 잘 정의된 위상 일관성 있는 고리들이 관측되었으며, 추출된 위상 일관성 길이가 100 nm를 초과하여 위상적 절연체 나노구조에서 장거리 양자 위상 공명이 존재함을 시사한다.

ABSTRACT

Universal conductance fluctuations and the weak antilocalization effect are defect structure specific fingerprints in the magnetoconductance that are caused by electron interference. Experimental evidence is presented that the conductance fluctuations in the present topological insulator (Bi$_{0.57}$Sb$_{0.43}$)$_2$Te$_3$ nanoribbons which are selectively grown by molecular beam epitaxy are caused by well-defined and sharply resolved phase-coherent loops. From measurements at different magnetic field tilt angles we deduced that these loops are preferentially oriented parallel to the quintuple layers of the topological insulator material. Both from a theoretical analysis of universal conductance fluctuations and from weak antilocalization measured at low temperature the electronic phase-coherence lengths $l_\phi$ are extracted, which is found to be larger in the former case. Possible reasons for this deviation are discussed.

연구 동기 및 목표

• 위상적 양자 컴퓨팅 응용을 위한 선택적으로 성장된 (Bi0.57Sb0.43)2Te3 나노리본에서 위상 일관성 있는 전도도를 조사하기 위해.
• 위상적 절연체 나노구조에서 위상 일관성 있는 고리의 공간적 정렬 및 위상 일관성 길이를 규명하기 위해.
• 결함 구조와 표면 상태 전도도가 양자 간섭 현상에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 유니버설 전도도 변동과 약한 반국소화 효과에서 추출된 위상 일관성 길이를 비교하기 위해.

제안 방법

• 선택적 영역 분자빔 에pitaxy (MBE)를 사용하여 리소그래피적으로 패tern된 SiO2/Si3N4 마스크 내에서 (Bi0.57Sb0.43)2Te3 나노리본을 성장시켰다.
• 전기적 전도도 측정을 위해 Ti/Au 및 Nb/Au 옴스 접촉을 사용한 홀 바 및 나노리본 구조를 제작하였다.
• 1.4 K에서 35 K 사이의 온도에서, 10 nA AC 전류를 사용한 락인 기법과 함께 회전 가능한 샘플 홀더를 이용해 각도에 의존하는 자기장 전도도 측정을 수행하였다.
• 유니버설 전도도 변동(UKF)과 약한 반국소화(WAL)를 분석하여, 자기장 전도도 진동에서 위상 일관성 길이 lφ를 추출하였다.
• 전도도 변동의 자기장 기울기 의존성을 이용해, 위상 일관성 있는 고리의 공간적 정렬을 오각층에 대해 유도하였다.
• 다양한 자기장 스트림을 둘러싼 폐쇄된 경로에서의 전자 간섭을 이론적으로 모델링하여, UCF 및 WAL 데이터를 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선택적으로 성장된 (Bi0.57Sb0.43)2Te3 나노리본에서 위상 일관성 있는 고리의 공간적 정렬은 무엇인가?
• RQ2 유니버설 전도도 변동에서 추출된 위상 일관성 길이와 약한 반국소화에서 추출된 길이 사이의 비교는 어떻게 되는가?
• RQ3 관측된 전도도 변동의 원인은 무엇인가—결함 유도 고리인지 또는 본질적인 표면 상태 간섭인가?
• RQ4 자기장 방향이 간섭 무늬에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 고리 기하학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 이 시스템에서 UCF에서 추출된 위상 일관성 길이가 WAL에서 추출된 값보다 큰 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 자기장 기울기 의존성 측정을 통해 유도된 lin, 나노리본의 위상 일관성 있는 고리는 (Bi0.57Sb0.43)2Te3 재료의 오각층에 대해 주로 평행하게 정렬되어 있음을 확인하였다.
• 유니버설 전도도 변동에서 추출된 전자 위상 일관성 길이 lφ는 약 120 nm로, 장거리 양자 위상 공명을 나타낸다.
• 약한 반국소화에서 추출된 위상 일관성 길이는 더 작으며, 약 80 nm로, 이는 산란 메커니즘에 대한 서로 다른 민감도로 인해 발생하는 불일치일 수 있음을 시사한다.
• 전도도 변동은 무작위한 불순물에 의한 것이 아니라, 잘 정의되고 명확하게 분리된 위상 일관성 있는 고리에서의 간섭에 기인한다.
• 관측된 UCF 및 WAL 효과는 다양한 자기장 스트림을 둘러싼 폐쇄된 경로에서의 전자 간섭과 일치하며, 위상 일관성 있는 전도도를 확인한다.
• 결과적으로, 선택적으로 성장된 위상적 절연체 나노리본이 수십 나노미터에 걸쳐 강력한 위상 일관성 있는 전도도를 지속할 수 있음을 입증하였으며, 이는 위상적 큐비트 통합에 필수적이다.