[論文レビュー] Quantum Hall effect in dual-gated graphene bilayers with tunable layer density imbalance

Seyoung Kim, Emanuel Tutuc|ArXiv.org|Sep 12, 2009

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、全キャリア密度と層間密度不均衡を独立して調整可能な二重ゲートグラフェンバイレイヤーにおける量子ホール効果（QHE）を調査している。電場によってバンドギャップが開くことによる予想通りにν=0 QHE状態が出現する一方、ν=8およびν=12 QHE状態はゼロ不均衡で予想外に抑制され、バイレイヤーが不均衡になると強化される。これは、単粒子理論を越えた電子-電子相互作用または不純物の重要性を示唆している。

ABSTRACT

We study the magnetotransport properties of dual-gated graphene bilayers, in which the total density and layer density imbalance are independently controlled. As the bilayer is imbalanced we observe the emergence of a quantum Hall state (QHS) at filling factor $ν=0$ evinced by a plateau in the Hall conductivity, consistent with the opening of a gap between the electron and hole bands. By varying the layer density imbalance at fixed total density, we observe a suppression of the QHS at filling factors $ν=8$ and $ν=12$ when the layer densities are balanced, an observation at variance with theoretical expectations in the absence of electron-electron interaction and disorder.

研究の動機と目的

• 全キャリア密度と層間密度不均衡を独立して制御可能な二重ゲートグラフェンバイレイヤーの磁気輸送特性を調査すること。
• 可変な垂直電場下での、填埋因子ν=0、8、12における量子ホール状態（QHS）の挙動を検討すること。
• 電子-電子相互作用または不純物が、単粒子予測を越えてバイレイヤーグラフェンにおけるQHSの安定性に寄与するかどうかを特定すること。
• 相互作用や不純物が存在しない場合の理論的期待と観測されたQHS挙動の不一致を解明すること。

提案手法

• 高k誘電体を用いたSiO2/Si基板上での天然石墨の機械的剥離を用いて、二重ゲートグラフェンバイレイヤー素子を作製した。
• 20 ÅのAlナクレアション層を形成した後、原子層蒸着（ALD）を用いて15 nmのAl2O3を上部誘電体として堆積させた。
• トップゲートとバックゲートにより、全キャリア密度（n_tot）と層間密度不均衡（Δn）を独立して制御可能であり、それぞれの静電容量はC_TG = 225 nF·cm⁻²およびC_BG = 10 nF·cm⁻²であった。
• T = 0.3 Kでロックイン技術を用いて縦方向（ρ_xx）およびホール（ρ_xy）抵抗率を測定し、ゲート電圧からn_totとΔnを抽出した。
• 層間密度不均衡Δnは(n_B - n_T)/2として定義され、垂直電場E = eΔn/ε₀であった。
• V_TGおよびV_BGを変化させた測定により、ρ_xxおよびρ_xyをn_totとΔnの関数としてマッピングし、QHSの進化を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層間密度不均衡は、二重ゲートグラフェンバイレイヤーにおけるν=8およびν=12の量子ホール状態の安定性にどのように影響するか？
• RQ2 なぜν=8およびν=12 QHSは層間不均衡がゼロ（Δn=0）で抑制されるのか、単粒子理論の予測とは反対に？
• RQ3 電子-電子相互作用または不純物が、垂直電場（Δn）に依存するQHS強度の観察された依存性を説明できるか？
• RQ4 垂直電場を印加した場合、ν=0 QHSは単粒子的バンドギャップ開口の予想通りに出現するか？
• RQ5 観測されたQHS挙動はΔnの符号にかかわらず再現可能かつ対称的か？

主な発見

• ν=0量子ホール状態は、バイレイヤーが不均衡な状態でホール伝導度のプラトーとして出現し、垂直電場によるバンドギャップ開口の単粒子的描写と整合的である。
• ν=8およびν=12量子ホール状態はΔn=0で最も弱く、層間密度不均衡が増加するにつれて強化され、Δnが正・負の両方で対称的に強化される。
• ゼロ不均衡での抑制は、単粒子理論に反しており、垂直電場がLandau準位間隔に独立して影響すると予測する理論とは一致しない。
• Δn=0におけるρ_xx vs. Bデータは、普遍的伝導度フラクチュエーションに類似した小さな繰り返し可能な振動を示し、拡張状態およびエッジ-エッジ散乱を示唆している。
• QHS強化がΔnの符号に対して対称的であるため、不純物の非対称性では説明できない。
• 結果は、電子-電子相互作用または場依存のLandau準位幅拡大が、ν=8およびν=12 QHSの安定化に重要な役割を果たしていることを強く示唆している。