[논문 리뷰] Skyrmion solids in monolayer graphene

Haoxin Zhou, Hryhoriy Polshyn외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 25.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 42인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 단층 그래핀에서 전자 상호작용이 가장 낮은 랑주 수준에서 비공선 스핀 구조를 유도함으로써 첫 번째로 직접적으로 스카이미언 고체를 관측한 바 있다. 수정된 코르비노 기하구조를 사용하여, 절연 상태에서 진동자 운반의 억제를 관측함으로써 전하를 띤 스카이미언 결정이 강한 스핀 구조를 지닌 채로 형성되었음을 확인하였으며, 전하 전도도는 절연 상태를 유지함으로써 기존 전자 고체를 초월한 새로운 양자상임을 시사한다.

ABSTRACT

Partially filled Landau levels host competing orders, with electron solids prevailing close to integer fillings before giving way to fractional quantum Hall liquids as the Landau level fills. Here, we report the observation of an electron solid with noncolinear spin texture in monolayer graphene, consistent with solidification of skyrmions---topological spin textures characterized by quantized electrical charge. In electrical transport, electron solids reveal themselves through a rapid metal-insulator transition in the bulk electrical conductivity as the temperature is lowered, accompanied by the emergence of strongly nonlinear dependence on the applied bias voltage. We probe the spin texture of the solids using a modified Corbino geometry that allows ferromagnetic magnons to be launched and detected. We find that magnon transport is highly efficient when one Landau level is filled ($ν=1$), consistent with quantum Hall ferromagnetic spin polarization; however, even minimal doping immediately quenches the the magnon signal while leaving the vanishing low-temperature charge conductivity unchanged. Our results can be understood by the formation of a solid of charged skyrmions near $ν=1$, whose noncolinear spin texture leads to rapid magnon decay. Data near fractional fillings further shows evidence for several fractional skyrmion crystals, suggesting that graphene hosts a vast and highly tunable landscape of coupled spin and charge orders.

연구 동기 및 목표

• 강한 전자 상호작용으로 인해 위상적 스핀 구조를 가질 것으로 예측되는 단층 그래핀에서 스카이미언 고체 존재 여부를 탐색하기 위해.
• 진동자 운반을 통한 고유한 스핀 구조 탐측을 통해 스카이미언 고체를 전통적인 전자 고체와 구별하기 위해.
• 전기적 투과도 조절 및 운반 측정을 통해, 특히 ν=1 및 분수 채움 계수 근처에서 상호작용 전자 상태의 상도진단을 그려내기 위해.
• 스카이미언 고체가 가장 낮은 랑주 수준에서 형성되는가에 대한 오랫동안 남아있던 질문을 해결하기 위해, 이는 이론적으로 기대되지만 실험적으로 확인되지 않았다.

제안 방법

• 세 영역에서 캐리어 밀도를 독립적으로 제어할 수 있도록 이중 그래파이트 상하 게이트와 실리콘 백게이트를 갖춘 코르비노 기하구조의 초고품질 단층 그래핀 장치를 제작하였다.
• G ∝ σxx를 만족함으로써 금속-절연체 전이를 감지할 수 있는 차등 전도도 측정을 통해 부피 전기 전도도 σxx를 탐색하였다.
• 수정된 코르비노 구조를 사용하여 페로자성 진동자 운반을 주입하고 탐지함으로써 스핀 구조에 민감한 비국소 운반 측정을 가능하게 하였다.
• 진동자 주입 및 탐지에 사용되는 페로자성 상태를 확보하기 위해 영역 II와 영역 III를 각각 ν=1 및 ν=2로 조절하였다.
• 20 mK에서 600 mK까지의 온도 의존성 전도도 측정을 수행하여 비단조화적인 dG/dT 행동을 보이는 절연 상태를 식별하였다.
• 저주파수 교류 자극(17.777 Hz)과 고주파수 비국소 자극(1234.5 Hz)을 사용한 락인 기법을 통해 노이즈와 위상 이동을 최소화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적으로 예측된 바와 같이, 단층 그래핀의 가장 낮은 랑주 수준에서 ν=1 근처에 스카이미언 고체가 형성되는가?
• RQ2 진동자 운반을 통한 직접적인 스핀 구조 탐측이 가능한가, 그리고 전통적인 전자 고체와 어떻게 다를까?
• RQ3 ν=1 근처의 절연 상태의 성격은 무엇이며, 전하를 띤 스카이미언의 형성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 분수 채움 계수에서 다수의 스카이미언 고체 상이 존재하는가, 그리고 캐리어 농도와 자기장에 의해 어떻게 조절되는가?
• RQ5 양자 홀 영역에서 스핀 구조와 전하 질서의 상호작용이 운반 특성에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• ν=1 및 ν=0 근처에서 이상적인 절연 상태가 관측되었으며, T ≈ 300–600 mK에서 금속-절연체 전이가 발생함을 보여주었으며, dG/dT가 음성에서 양성으로 변화함으로써 금속성 운반의 붕괴를 시사한다.
• ν=1에서 진동자 운반은 양자 홀 페로자성 상태와 일치하는 높은 효율성을 보였지만, 미미한 도핑 조건에서도 급격히 억제됨으로써 강한 스핀 구조를 시사한다.
• 저온에서 전하 전도도가 소멸된 상태에서도 진동자 신호가 억제됨으로써, 스카이미언 고체의 특징인 비공선 스핀 구조의 존재를 확인한다.
• 분수 채움 계수 근처에서 다수의 분수 스카이미언 결정에 대한 증거를 관측하였으며, 이는 스핀-전하 질서 상태의 복잡하고 조절 가능한 상도진단을 시사한다.
• |νI − νII| < 1 범위에서 명백한 직렬 저항이 관측되지 않아, 측정된 전도도가 표면 효과보다 부피 σxx에 의해 지배됨을 확인한다.
• 1234.5 Hz 자극 주파수를 사용하여 고신호대노이즈비로 비국소 진동자 탐측을 달성하였으며, 이는 스핀 구조 효과의 명확한 식별을 가능하게 하였다.