[논문 리뷰] Quantum Hall phase in graphene engineered by interfacial charge coupling

Yaning Wang, Xiang Gao외 19명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 06.

Graphene research and applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 그래핀과 반자성 절연체 CrOCl이 인터페이스를 이루는 상황에서, 상호작용에 의해 유도되는 전하 결합이 이격장(D)과 자기장(B) 사이에 게이트 조절이 가능한 포물선적 의존성을 유도하며, 이로 인해 영자기장에서도 랑주 양자화가 가능해지는 새로운 양자홀 효과를 규명한다. 이 현상은 0–10¹³ cm⁻²의 넓은 도핑 범위에서 100 K까지 지속되며, 상호작용을 통한 표면 상태의 위상적 양자 상태 설계를 위한 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

Quantum Hall effect (QHE), the ground to construct modern conceptual electronic systems with emerging physics, is often much influenced by the interplay between the host two-dimensional electron gases and the substrate, sometimes predicted to exhibit exotic topological states. Yet the understanding of the underlying physics and the controllable engineering of this paradigm of interaction remain challenging. Here we demonstrate the observation of an unusual QHE, which differs markedly from the known picture, in graphene samples in contact with an anti-ferromagnetic insulator CrOCl equipped with dual gates. Owing to the peculiar interfacial coupling, Landau levels in monolayer graphene remain intact at negative filling fractions, but largely deviated for the positive gate-doping range. The latter QHE phase even presents in the limit of zero magnetic field, with the consequential Landau quantization following a parabolic relation between the displacement field $D$ and the magnetic field $B$. This characteristic prevails up to 100 K in a sufficiently wide effective doping range from 0 to 10$^{13}$ cm$^{-2}$. Our findings thus open up new routes for manipulating the quantum electronic states, which may find applications in such as quantum metrology.

연구 동기 및 목표

• 그래핀과 반자성 절연체 사이의 상호작용에 의한 전하 결합이 양자홀 물리학에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 반자성 절연체인 CrOCl이 봉쇄된 그래핀에서 비정상적인 위상적 양자 상태를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이중 게이트 조절과 상호작용을 통한 그래핀에서 랑주 준위의 양자화를 설계하고 제어하기 위해.
• 온도, 도핑, 자기장 조건의 변화에 따라 관측된 양자홀 상태의 안정성과 강건성을 규명하기 위해.

제안 방법

• 그래핀을 헥사고날 붕소 nitride(h-BN)와 CrOCl로 봉쇄하여 건식 이송 기술을 사용해 이중 게이트 그래핀 이중구조를 제작하였다.
• BlueFors LD250 냉각기와 Quantum Design PPMS 시스템을 사용해 밀리켈빈 온도까지 저온 전기적 운반 측정을 수행하였다.
• 이중 게이트 전기장 효과 측정을 통해 총 실리콘 농도(n_tot)와 이격장(D)을 조절하여 B–D–n_tot 공간에서의 상도도를 매핑하였다.
• 표면 형태와 상호작용 구조를 분석하기 위해 원자력 현미경 및 스캐닝 터널링 현미경(STM) 측정을 수행하였다.
• 전자 구조와 상호작용 전하 순서를 모델링하기 위해 GGA+U 및 DFT+D2 보정을 적용한 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 관측된 포물선적 B–D 의존성과 그 기원을 설명하기 위해 장파장 전하 순서와 밴드 재구성에 기반한 저에너지 효과 모델을 개발하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CrOCl과 같은 반자성 절연체로부터의 상호작용 전하 결합이 그래핀에서 새로운 양자홀 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ2 외부 자기장이 없는 조건에서 관측된 자기장(B)과 이격장(D) 사이의 포물선적 관계의 기원은 무엇인가?
• RQ3 강한 상호작용 결합 조건에서 이중 게이트 조절이 이루어질 경우, 랑주 준위의 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 이 새로운 양자홀 상태는 온도 및 도핑 변화에 대해 어느 정도 강건한가?
• RQ5 CrOCl의 장파장 전하 순서와 그래핀의 밴드 재구성은 이 상태를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 그래핀/CrOCl 이중구조에서 새로운 양자홀 효과가 나타나며, 이는 영자기장 조건에서도 자기장(B)과 이격장(D) 사이에 포물선적 의존성이 관측된다.
• 이 효과는 0에서 10¹³ cm⁻²의 넓은 도핑 범위에서 100 K까지 지속되며, 고온 및 도핑에 대한 강건성을 나타낸다.
• 강한 상호작용 결합 조건에서 양성 게이트 전압에서 랑주 준위 팬 다이어그램이 전통적인 팬 패턴에서 캐스케이드 패턴으로 전이된다.
• DFT 계산을 통해 CrOCl에서의 장파장 전하 순서와 그에 따른 그래핀의 밴드 재구성이 관측된 상태의 물리적 기원임을 규명하였다.
• 강한 상호작용 결합에 의해 이 상태가 안정화되며, 이는 주로 양성 게이트 전압과 저온 조건에서 가장 두드러진다.
• 관측된 효과는 전기장만으로도 랑주 양자화를 완전히 제어할 수 있게 하여, 위상적 상태 설계를 위한 새로운 길을 열어준다.