[논문 리뷰] In-plane magnetic field-driven symmetry breaking in topological insulator-based three-terminal junctions

Jonas Kölzer, Kristof Moors외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 30.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 45인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 궤도 효과를 이용해 위상학적 절연체 기반 삼단 접합에서 평면 내 자기장이 위상 일관성 있는 표면 상태에 영향을 주어 전류 흐름을 능동적으로 제어할 수 있음을 보여준다. 자기장은 나노리본의 양쪽면에 표면 상태를 갇히게 하여 좌우 대칭성을 깨뜨리고, 전류를 한쪽 출력 단자로 선택적으로 유도함으로써, π 주기적 제어 특성을 보이는 위상전자 전류 스위치로 기능한다.

ABSTRACT

Topological surface states of three-dimensional topological insulator nanoribbons and their distinct magnetoconductance properties are promising for topoelectronic applications and topological quantum computation. A crucial building block for nanoribbon-based circuits are three-terminal junctions. While the transport of topological surface states on a planar boundary is not directly affected by an in-plane magnetic field, the orbital effect cannot be neglected when the surface states are confined to the boundary of a nanoribbon geometry. Here, we report on the magnetotransport properties of such three-terminal junctions. We observe a dependence of the current on the in-plane magnetic field, with a distinct steering pattern of the surface state current towards a preferred output terminal for different magnetic field orientations. We demonstrate that this steering effect originates from the orbital effect, trapping the phase-coherent surface states in the different legs of the junction on opposite sides of the nanoribbon and breaking the left-right symmetry of the transmission across the junction. The reported magnetotransport properties demonstrate that an in-plane magnetic field is not only relevant but also very useful for the characterization and manipulation of transport in three-dimensional topological insulator nanoribbon-based junctions and circuits, acting as a topoelectric current switch.

연구 동기 및 목표

• 평면 내 자기장 하에서 3차원 위상학적 절연체 기반 삼단 접합의 자기전도성 특성을 연구하기 위해.
• 평면 내 자기장이 위상학적 절연체 접합을 통한 전류 전달에서 좌우 대칭성을 깰 수 있는지 확인하기 위해.
• 평면 내 자기장을 위상전자 회로에서 전류 유도를 위한 제어 수단으로 사용할 수 있는지 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 관측된 전류 유도의 기원이 궤도 효과인지, 또는 평면 헬 효과와 같은 다른 메커니즘인지 구분하기 위해.
• 반사계수를 수정하여 접점 저항 효과를 고려한, 반도체적 및 양자 전도 시뮬레이션을 기반으로 한 전도 모델을 개발하기 위해.

제안 방법

• 선택적 영역 분자빔 에pitaxy(MBE)와 캡슐화를 위한 원자층 증착을 사용하여 Bi2Te3 기반 T자형 삼단 접합을 제작하였다.
• 저온(25 mK)에서 평면 내 자기장을 0.5 T까지 적용하여 자기전도 측정을 수행하였으며, 전류가 좌측 및 우측 출력 레그로 어떻게 분할되는지 측정하였다.
• 자기장 크기를 일정하게 유지한 상태에서 전류 방향성을 정량화하기 위해, 유도비 SR = (IR − IL)/(IR + IL)를 정의하고 분석하였다.
• Kwant 기반 양자 전도 시뮬레이션과 반도체적 모델을 사용하여 관측된 자기장 의존성 전류 유도를 설명하였다.
• 접점 저항 효과를 고려하기 위해, 레그 및 표면에 따라 달라지는 저항을 반영한 전도 계수를 수정하였다.
• 실험 결과를 이론 예측과 비교하여, 궤도 효과가 다른 메커니즘(예: 약한 반국소화 또는 평면 헬 효과)과 어떻게 분리되는지 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평면 내 자기장이 위상학적 절연체 기반 삼단 접합에서 방향성 전류 유도를 유도할 수 있는가?
• RQ2 관측된 전류 유도의 기원은 무엇인가? 특히 궤도 효과인지, 또는 평면 헬 효과와 같은 다른 메커니즘인지?
• RQ3 자기장 방향은 접합 레그 간의 전도 대칭성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 접점 저항 또는 기하학적 비대칭성은 관측된 유도 행동에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 궤도 상태의 갇힘에 기반한 일관된 전도 모델로 전류 유도를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 표면 상태 전류의 명확한 π 주기적 유도 패tern이 관측되었으며, 평면 내 자기장 방향에 따라 전류가 한쪽 출력 단자로 유리하게 향하는 것으로 나타났다.
• 유도비 SR은 입력 레그에 대해 ±45° 및 ±135°에서 최대값과 최소값을 번갈아가며 나타내어 대칭성 깨짐 메커니즘을 확인하였다.
• 관측된 전류 유도는 궤도 효과에 기인하며, 위상 일관성 있는 표면 상태가 나노리본의 양쪽면에 갇혀 좌우 전도 대칭성을 깨뜨린다.
• 유도 효과는 0.5 T까지 넓은 자기장 범위에서 견고하게 유지되며, 25 mK에서도 지속되어 강한 위상 일관성이 있음을 시사한다.
• 평면 헬 효과는 주로 온도 의존성이 약하기 때문에 주요 기원으로 배제되었으며, 이는 관측된 유도 효과의 강한 온도 의존성과 대비된다.
• 시뮬레이션과 모델링 결과는 궤도 효과가 비대칭 전도를 유도하며, 자기장 방향과 강도에 따라 전류가 한쪽 레그로 우선적으로 유도됨을 확인하였다.