[논문 리뷰] Probing the fractional quantum Hall phases in valley-layer locked bilayer MoS$_{2}$

S.G. Zhao, Jinqiang Huang외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 05.

Graphene research and applications참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고이동도, 밸리-층 락킹 2차원 전자기체와 게이트 및 유전체 공학에 의한 가변 쿠론 스크리닝을 통해 가능해진 이중층 MoS₂에서 4/5 및 2/5 충전 분수에서의 분수 양자 홀(FQH) 상태의 최초 관측을 보고한다. FQH 상태는 고자기장(최대 34 T)과 저온(300 mK) 조건에서 양자화된 홀 플레이트오우와 저항 최소값으로 나타나며, 이는 이중층 MoS₂가 토폴로지 양자 현상에 대한 조절 가능한 플랫폼으로서의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Semiconducting transition-metal dichalcogenides (TMDs) exhibit high mobility, strong spin-orbit coupling, and large effective masses, which simultaneously leads to a rich wealth of Landau quantizations and inherently strong electronic interactions. However, in spite of their extensively explored Landau levels (LL) structure, probing electron correlations in the fractionally filled LL regime has not been possible due to the difficulty of reaching the quantum limit. Here, we report evidence for fractional quantum Hall (FQH) states at filling fractions 4/5 and 2/5 in the lowest LL of bilayer MoS$_{2}$, manifested in fractionally quantized transverse conductance plateaus accompanied by longitudinal resistance minima. We further show that the observed FQH states sensitively depend on the dielectric and gate screening of the Coulomb interactions. Our findings establish a new FQH experimental platform which are a scarce resource: an intrinsic semiconducting high mobility electron gas, whose electronic interactions in the FQH regime are in principle tunable by Coulomb-screening engineering, and as such, could be the missing link between atomically thin graphene and semiconducting quantum wells.

연구 동기 및 목표

• 강한 전자 상관관계와 고이동도를 지닌 이중층 MoS₂의 최저 랑주 수준에서 분수 양자 홀(FQH) 상태를 탐구하기 위해.
• 반도체 TMD에서 양자 한계에 접근하는 데 어려움이 있는 이유(낮은 실체 농도 및 적절한 유전체 스크리닝 확보의 어려움)를 극복하기 위해.
• 게이트 및 유전체 환경를 조절하여 쿠론 상호작용을 공학함으로써 이중층 MoS₂를 FQH 물리학에 대한 조절 가능한 플랫폼으로 구축하기 위해.
• 강한 스핀-오비탈 결합과 밸리-층 락킹을 갖는 고이동도 내재 2차원 반도체에서 FQH 상태에 대한 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 300 mK까지의 저온, 고자기장 전도도 측정을 가능하게 하는 2차원- widening 비스무스 접촉을 갖는 고품질 이중층 MoS₂ 장치를 제작하였다.
• 최대 34 T의 고자기장에서 횡방향 전도도와 縦방향 저항을 측정하여 FQH 플레이트오우와 최소값을 식별하였다.
• hexagonal boron nitride(h-BN) 유전체와 상하 게이트를 사용하여 쿠론 스크리닝을 공학적으로 조절하여 효과적 상호작용 잠재력의 조절을 수행하였다.
• 장거리(게이트 스크리닝) 및 단거리(층 구조) 스크리닝을 모두 고려한 유전체 정규화된 Rytova-Keldysh 잠재력으로 효과적 쿠론 상호작용을 모델링하였다.
• Haldane의 가짜 잠재력에 의해 최저 랑주 수준에 쿠론 잠재력을 투영하였으며, 페르미온에 관련된 첫 번째 세 개의 홀수 모멘트 가짜 잠재력(V₁, V₃, V₅)에 집중하였다.
• 최대 13개 입자를 포함한 토러스에서 정확한 대각화를 수행하여 다체 기저 상태를 시뮬레이션하고 ν = 4/5 및 ν = 2/5에서 FQH 상태의 안정성을 확인하였다.

Fig. 1 : Electrical transport in bilayer MoS 2 in the single-particle regime. (a) Schematic illustration of the fabricated device. (b) Optical image of a typical dual-gated bilayer MoS 2 device. One of the 2D contact windows is highlighted by black dashed lines. Scale is 5 $\mu$ m. (c) Art view of t

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 스핀-오비탈 결합과 밸리-층 락킹을 갖는 이중층 MoS₂, 즉 전이 금속 디칼코겐화합물 반도체의 최저 랑주 수준에서 분수 양자 홀 상태가 실현되고 탐지될 수 있는가?
• RQ2 유전체 환경과 게이트 스크리닝은 이중층 MoS₂에서 FQH 상태의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이중층 MoS₂에서 쿠론 상호작용는 어느 정도 조절 가능하여 4/5 및 2/5와 같은 특정 충전 분수에서 FQH 상태를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 자기장 길이와 층 간 거리가 이 시스템에서 효과적 상호작용과 FQH 상태 형성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 실제 가짜 잠재력 매개변수를 사용한 다체 해밀토니안의 정확한 대각화를 통해 관측된 FQH 상태를 이론적으로 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 22 T에서 34 T 사이의 자기장 범위에서 이중층 MoS₂에서 4/5 및 2/5 충전 분수에서 FQH 상태가 관측되었으며, 이는 횡방향 전도도 플레이트오우와 縦방향 저항 최소값으로 확인되었다.
• FQH 상태는 자기장 길이 범위 ℓ_B ≈ 4.5–6 nm에서 안정되었으며, 이는 양자 한계 근처의 실체 농도에 해당한다.
• 관측된 FQH 상태는 유전체 및 게이트 스크리닝에 매우 민감하며, 유전율 ε ≈ 5 및 층 간 거리 δ = 0.65 nm를 통해 쿠론 상호작용가 조절되었다.
• Haldane의 가짜 잠재력과 정확한 대각화를 사용한 이론적 모델링은 ν = 4/5 및 ν = 2/5에서 FQH 상태의 안정성을 확인하였으며, 기저 상태 에너지 간격은 비압축성 FQH 상태와 일치하였다.
• 게이트 및 유전체 공학을 통해 상호작용 강도를 조절할 수 있어, 이는 토폴로지 양자 상을 연구하는 데 유망한 플랫폼이다.
• 데이터와 정확한 대각화 코드는 Zenodo 및 DiagHam를 통해 공개되어 재현성과 향후 이론적 탐구를 가능하게 하였다.

Fig. 2 : Electrical transport in bilayer MoS 2 in the single-particle regime. (a) Landau fan of sample-BS1 measured at $T$ = 300 mK and $V_{\textrm{bg}}$ = 4.72 V, in the magnetic field range from 0 to 12 T. White dashed lines are guides to eyes, and their crossing point indicates the band edge. (b)