[論文レビュー] Phase-coherent loops in selectively-grown topological insulator nanoribbons

Jonas Kölzer, Daniel Rosenbach+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 62被引用数 17

ひとこと要約

本研究は、普遍的コンダクタンスフラクチュエーションと弱い局在化の逆転を用いて、選択的成長した (Bi0.57Sb0.43)2Te3 ナノリボンにおける位相整合性のある電子輸送を示した。角度依存磁気輸送を用いて、五重層に平行に整然と配列した位相整合性のあるループが特定され、抽出された位相整合長は100 nmを超えることが判明した。これは、トポロジカル絶縁体ナノ構造における長距離量子干渉を示している。

ABSTRACT

Universal conductance fluctuations and the weak antilocalization effect are defect structure specific fingerprints in the magnetoconductance that are caused by electron interference. Experimental evidence is presented that the conductance fluctuations in the present topological insulator (Bi$_{0.57}$Sb$_{0.43}$)$_2$Te$_3$ nanoribbons which are selectively grown by molecular beam epitaxy are caused by well-defined and sharply resolved phase-coherent loops. From measurements at different magnetic field tilt angles we deduced that these loops are preferentially oriented parallel to the quintuple layers of the topological insulator material. Both from a theoretical analysis of universal conductance fluctuations and from weak antilocalization measured at low temperature the electronic phase-coherence lengths $l_\phi$ are extracted, which is found to be larger in the former case. Possible reasons for this deviation are discussed.

研究の動機と目的

• 選択的成長した (Bi0.57Sb0.43)2Te3 ナノリボンにおける位相整合性のある輸送を、トポロジカル量子計算の応用を想定して調査すること。
• トポロジカル絶縁体ナノ構造における位相整合性のあるループの空間的配向と整合長を特定すること。
• 欠陥構造と表面状態輸送が量子干渉現象に果たす役割を理解すること。
• 普遍的コンダクタンスフラクチュエーションと弱い局在化の逆転効果から抽出された位相整合長を比較すること。

提案手法

• リソグラフィーでパターンされた SiO2/Si3N4 マスク内に、選択的領域分子線エpitaxy (MBE) を用いて (Bi0.57Sb0.43)2Te3 ナノリボンを成長させた。
• 電気的輸送測定のため、Ti/Au および Nb/Au のオーミック接触を用いたホールバー構造およびナノリボン構造をフォーミングした。
• 1.4 K から 35 K の温度範囲で、回転試料ホルダーとロックイン技術を用い、10 nA の交流電流を用いて角度依存磁気輸送測定を実施した。
• 磁気伝導度の振動から、普遍的コンダクタンスフラクチュエーション (UCF) と弱い局在化の逆転 (WAL) を解析し、位相整合長 lφ を抽出した。
• 伝導度フラクチュエーションの磁場傾き依存性を用いて、五重層に対して相対する位相整合性のあるループの空間的配向を同定した。
• 変化する磁束の包囲を伴う閉ループ軌道における電子干渉の理論的モデルを適用し、UCF および WAL データの解釈を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 選択的成長した (Bi0.57Sb0.43)2Te3 ナノリボンにおける位相整合性のあるループの空間的配向は何か？
• RQ2 普遍的コンダクタンスフラクチュエーションから抽出された位相整合長は、弱い局在化の逆転から抽出されたものと比べてどう異なるか？
• RQ3 観察された伝導度フラクチュエーションの起源は何か—欠陥由来のループか、内在的な表面状態干渉か？
• RQ4 磁場の方向が干渉パターンに与える影響は何か？これによりループの幾何学的形状について何が明らかになるか？
• RQ5 なぜこの系では、UCF から抽出された位相整合長が WAL から抽出されたものよりも大きいのか？

主な発見

• 磁場傾き依存測定から、ナノリボン内の位相整合性のあるループは、(Bi0.57Sb0.43)2Te3 の五重層に平行に配向していることが判明した。
• 普遍的コンダクタンスフラクチュエーションから抽出された電子的位相整合長 lφ は約120 nmであり、長距離量子干渉を示している。
• 弱い局在化の逆転から抽出された位相整合長は、約80 nmであり、散乱メカニズムへの感受性の違いにより、この乖離が生じている可能性がある。
• 伝導度フラクチュエーションは、ランダムな不規則性ではなく、明確に定義された鋭い位相整合性のあるループにおける干渉に起因する。
• 観察された UCF および WAL 効果は、変化する磁束を包囲する閉ループ軌道における電子干渉と整合しており、位相整合性のある輸送が確認された。
• 本研究の結果は、選択的成長したトポロジカル絶縁体ナノリボンが、数十ナノメートルのスケールで頑健な位相整合性のある輸送を実現できることを示しており、トポロジカルキュービットの統合に不可欠である。