[论文解读] High-Resolution Tunneling Spectroscopy of Fractional Quantum Hall States

Yuwen Hu, Yen-Chen Tsui+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 11

一句话总结

作者使用极为干净的 Bernal-stacked 双层石墨烯，并结合高分辨率的 STM/STS 在局部区域探测分数量子霍尔态，揭示了大的能隙、奇分母和偶分母态的清晰信号，包括一个类似 Moore-Read 的 ν=1/2 非阿贝尔态，并具备层/晶格极化的空间分辨成像。

ABSTRACT

Strong interaction between electrons in two-dimensional systems in the presence of a high magnetic field gives rise to fractional quantum Hall states that host quasiparticles with fractional charge and fractional exchange statistics. Here, we demonstrate high-resolution scanning tunneling microscopy and spectroscopy of fractional quantum Hall states in ultra clean Bernal-stacked bilayer graphene devices. Spectroscopy measurements show sharp excitations that have been predicted to emerge when electrons fractionalize into bound states of quasiparticles. We find energy gaps for candidate non-abelian fractional states that are larger by a factor of five than other related systems - for example semiconductor heterostructures - and this suggests bilayer graphene is an ideal platform for the manipulation of these quasiparticles and for the creation of a topological quantum bit. We also find previously unobserved fractional states in our very clean graphene samples.

研究动机与目标

• 展示 ultra-clean Bernal-stacked bilayer graphene 的高分辨率扫描隧道显微/光谱（STM/S）在分数量子霍尔态中的应用。
• 测量与传统输运实验相比的局部能隙和隧穿光谱，关联分数量子霍尔态。
• 识别非阿贝尔态的信号（如 Moore-Read Pfaffian）并观测偶分母态在 BLG 中的表现。
• 探索内在的层偏振和无序在形成局部分数量子霍尔光谱中的作用。
• 将实验得到的能隙与理论计算和精确对角化（ED）进行对比，以评估 BLG 作为拓扑量子比特平台的基准性。

提出的方法

• 在 hBN 上制造 ultra-clean Bernal-stacked bilayer graphene 器件并配以石墨背门。
• 在高磁场下进行门控的高分辨率 STS 以绘制局部态密度（LDOS）。
• 提取并分析隧穿能隙 Delta_t、Delta0、Delta1 及 Delta，用于跨越不可压缩的分数量子霍尔隙的电子/空穴添加。
• 使用 e S^2 deltaV^2 等度量来计算热力学能隙的下界，以考虑带隙中的杂质态。
• 将实验的隧穿阈值与 ED 计算进行比较，以检验分数量子霍尔激发的理论预期。

实验结果

研究问题

• RQ1 高分辨率的 STM/S 是否能够以原子尺度精度解析 BLG 中分数量子霍尔态的局部激发和能隙？
• RQ2 BLG 中各种 FQH 态（包括偶分母非阿贝尔态）的局部（热力学）和准粒子能隙是多少？
• RQ3 观测到的能隙和谱特征是否与复合费米子理论及 Moore-Read Pfaffian 的预测相一致？
• RQ4 内在的层极化、亚晶格结构以及原子缺陷如何影响 FQH 光谱和能隙大小？

主要发现

• 在多个朗道能级中观察到遵循 Jain 序列的 FQH 状态，且谱中可门控呈现高分辨率结构。
• 在 N = 1 LL 中发现偶分母 ν = 1/2 态，与 Moore-Read Pfaffian 物理及其子态相一致。
• 对奇特的 FQH 态显示出极大的局部热力学能隙，下界在 ν = 1/2 处接近 18.9 K，且理论推断的准粒子能隙大约为 4.7 K。
• 空间分辨的图像显示层极化和亚晶格分辨的光谱，將轨道填充与顶层 LDOS 关联起来。
• 在使用现实介电环境（epsilon ~ 3.8–4.8）时，ED 计算与 Delta0 的定量一致性，验证了局部隧穿方法作为在 ultra-clean BLG 中探测 FQH 物理的手段。
• 首次在 BLG 的高朗道能级中观测到偶分母的 FQH 态，提示 Moore-Read 或相关非阿贝尔态在新颖的量子区间存在的可能性。