[논문 리뷰] Unveiling excitonic properties of magnons in a quantum Hall ferromagnet

Alexandre Assouline, Jong‐Gul Yoon외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 03.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 19인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 채움 인자 ν=1에서 그래핀 양자홀 페로자성체에서 면모의 전기 dipole 모멘트에 대한 최초의 실험적 증거를 제공한다. 마흐-젠더 간섭계를 양자 센서로 사용하여, 면모의 전기 dipole 모멘트로 인해 발생하는 위상 이동과 간섭 무늬의 밝기 감소를 관측함으로써, 이 모멘트가 위상 분리에 기여하고, 면모 기반 양자 회로의 전기적 제어를 가능하게 한다고 입증한다.

ABSTRACT

Magnons enable transferring a magnetic moment or spin over macroscopic distance. In quantum Hall ferromagnet, it has been predicted in the early 90s that spin and charges are entangled, meaning that any change of the spin texture modifies the charge distribution. As a direct consequence of this entanglement, magnons carry an electric dipole moment. Here we report the first evidence of the existence of this electric dipole moment in a graphene quantum Hall ferromagnet using a Mach-Zehnder interferometer as a quantum sensor. By propagating towards the interferometer through an insulating bulk, the magnon electric dipole moment modifies the Aharonov-Bohm flux through the interferometer, changing both its phase and its visibility. In particular, we relate the phase shift to the sign of this electric dipole moment, and the exponential loss of visibility to the flux of emitted magnons. Finally, we probe the emission energy threshold of the magnons close to filling factor v=1. Approaching v=0, we observe that the emission energy threshold diminishes towards zero, which might be linked to the existence of gapless mode in the canted-antiferromagnetic (CAF) phase at v=0. The detection and manipulation of magnons based on their electric dipole open the field for a new type of coherent magnon quantum circuits that will be electrostatically controlled.

연구 동기 및 목표

• 양자홀 페로자성체에서 면모의 진동자적 성질을 실험적으로 탐구하기 위해.
• 스핀-전하 얽힘에 의해 예측된 면모의 전기 dipole 모멘트를 검출하고 특성화하기 위해.
• 채움 인자 ν=1 및 ν=0 근처에서 면모 방출의 에너지 임계값이 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 간섭계에서 면모에 의한 위상 분리가 자기 모멘트가 아닌 전기 dipole 모멘트 때문임을 입증하기 위해.
• 전기적 제어가 가능한 일관된 면모 기반 양자 회로의 잠재적 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 전파하는 면모에 의해 유도된 위상 및 밝기 변화를 검출하기 위해 그래핀 기반의 마흐-젠더 간섭계(MZI)를 사용하였다.
• 채움 인수 νT 를 조절하고 전압으로 구동되는 옴스 접촉을 통해 면모 방출을 제어하기 위해 상부 게이트가 있는 PN 접합을 사용하였다.
• 비국소적 전압 반응과 MZI 간섭 진동을 발사 전압 V_E 와 배경 게이트 전압 V_BG 의 기능으로 측정하였다.
• 밝기 감소가 면모 플럭스에 따라 지수적으로 증가하는 모델을 적용하여, 이로 인한 분해동을 전기 dipole 모멘트에 기인한다고 기인하였다.
• 위상 이동을 전기 dipole 모멘트의 부호와 관련지어 분석하고 강한 자기장 의존성을 관측하였다.
• νB 를 ν=1 및 ν=0 근처에서 조절하여 방출 임계 에너지를 분석하고, 기울어진 반자성(CAF) 상에 대한 이론 예측과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자홀 페로자성체에서 스핀-전하 얽힘으로 인해 면모가 전기 dipole 모멘트를 지니는가?
• RQ2 마흐-젠더 간섭계에서 간섭을 통해 면모의 전기 dipole 모멘트를 검출할 수 있는가?
• RQ3 채움 인수, 특히 ν=0 근처에서 면모 방출 에너지 임계값은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 MZI에서 관측된 밝기 감소의 원인은 자기 모멘트인지 전기 dipole 모멘트인가?
• RQ5 ν=0 근처의 기울어진 반자성(CAF) 상에서 무게 없는 면모 모드에 대한 증거가 있는가?

주요 결과

• MZI 간섭 진동에서의 위상 이동이 면모의 전기 dipole 모멘트의 부호와 직접적으로 상관되어 있으며, 이는 그 존재를 확인한다.
• MZI에서의 밝기 감소가 방출된 면모의 플럭스에 따라 지수적으로 증가하며, 전기 dipole 모멘트에 의해 유도된 분해동과 일치한다.
• 채움 인수가 ν=0 에 가까워질수록 면모의 방출 임계값이 0으로 감소함으로써, 무게 없는 모드의 존재를 시사한다.
• 관측된 위상 분리는 자기 모멘트나 일정 전압 효과로는 설명되지 않으며, MZI 밝기는 250 µV 이하의 전압에서도 강건하게 유지된다.
• ν=0 근처에서 기울어진 반자성(CAF) 상의 특징을 보이며, 이론적으로 예측된 단일의 무게 없는 모드의 에너지가 0에 수렴한다.
• 이 연구는 전기 dipole 모멘트를 조절 가능한 자유도로 사용하여 전기적으로 제어 가능한 일관된 면모 기반 회로를 설계할 수 있는 길을 열었다.