[论文解读] Evidence for correlated electron pairs and triplets in quantum Hall interferometers

Wenmin Yang, David Perconte+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2023

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本研究通过插栓门光谱法解析纠缠的边缘通道，为石墨烯基量子霍尔法布里-珀罗干涉仪中的关联电子配对与三重态提供了实验证据。在 ν=2 时，观测到 h/2e 的通量周期性，表明电子配对；在 ν=3 时，发现 h/3e 周期性，揭示电子三重态，挑战了由中性子介导的电子配对传输的现有理论。

ABSTRACT

Pairing of electrons is ubiquitous in electronic systems featuring attractive inter-electron interactions, as exemplified in superconductors. Counter-intuitively, it can also be mediated in certain circumstances by the repulsive Coulomb interaction alone. Quantum Hall (QH) Fabry-Pérot interferometers (FPIs) tailored in two-dimensional electron gas under a perpendicular magnetic field has been argued to exhibit such unusual electron pairing seemingly without attractive interaction. Here, we show evidence in graphene QH FPIs revealing not only a similar electron pairing at bulk filling factor nu=2 but also an unforeseen emergence of electron tripling characterized by a fractional Aharonov-Bohm flux period h/3e (h is the Planck constant and e the electron charge) at nu=3. Leveraging a novel plunger-gate spectroscopy, we demonstrate that electron pairing (tripling) involves correlated charge transport on two (three) entangled QH edge channels. This spectroscopy indicates a quantum interference flux-periodicity determined by the sum of the phases acquired by the distinct QH edge channels having slightly different interfering areas. While recent theory invokes the dynamical exchange of neutral magnetoplasmons -- dubbed neutralons -- as mediator for electron pairing, our discovery of three entangled QH edge channels with apparent electron tripling defies understanding and introduces a new three-body problem for interacting fermions.

研究动机与目标

• 研究在无传统吸引力作用下发生电子配对的量子霍尔干涉仪中关联电子输运的本质。
• 确定在较高填充因子下，特别是 ν=3 时，是否出现电子三重态——其特征为 h/3e 通量周期性。
• 利用一种新颖的插栓门光谱技术，解析参与关联输运的特定边缘通道。
• 理解在库仑相互作用与磁场存在的条件下，多个边缘通道之间的量子干涉及其相互作用。
• 通过揭示三体关联现象，挑战并拓展现有电子配对理论，特别是基于中性子交换的理论模型。

提出的方法

• 采用 hBN 保护的石墨烯基量子霍尔法布里-珀罗干涉仪，结合双分裂栅量子点接触以定义干涉仪腔体。
• 利用插栓门静电调节由边缘通道包围的有效面积，并通过门光谱测量其与边缘通道的电容耦合。
• 在磁场与门电压变化下系统开展非平衡输运测量，绘制对角电导中的干涉图案。
• 应用高斯阻尼相位涨落的唯象模型拟合观测到的干涉图案，并对电导振荡进行谐波分解。
• 利用门电压的杠杆臂与频率依赖性，计算插栓门与每个干涉边缘通道之间的距离。
• 通过分析电导振荡的通量周期性，识别有效电荷：在 ν=2 时为 h/2e（配对），在 ν=3 时为 h/3e（三重态）。

Figure 1: Graphene quantum Hall Fabry-Pérot interferometer. a , Atomic force microscope image of the hBN encapsulated graphene heterostructure. Ohmic contacts are highlighted in yellow (with a rough surface), while quantum point contact (QPC) electrodes and the plunger gate are highlighted in light

实验结果

研究问题

• RQ1 在 ν=2 时，石墨烯量子霍尔干涉仪中观测到的关联电子输运的本质是什么？是否与电子配对一致？
• RQ2 在 ν=3 时，是否会出现电子三重态——其特征为 h/3e 的分数 Aharonov-Bohm 通量周期？若存在，其潜在机制是什么？
• RQ3 哪些特定边缘通道以相干方式参与了关联输运？它们的相对贡献如何随填充因子演化？
• RQ4 随着填充因子变化，干涉行为如何从库仑主导过渡到 Aharonov-Bohm 主导？
• RQ5 所观测到的现象能否由现有理论解释，特别是基于中性子交换的理论？还是需要为相互作用费米子建立新的三体框架？

主要发现

• 在 ν=2 时，干涉仪表现出 h/2e 的半周期通量调制，表明存在有效电荷约为 2e 的电子对关联输运。
• 在 ν=3 时，观测到明显的 h/3e 通量周期性，直接证明了涉及三个纠缠边缘通道的电子三重态关联。
• 插栓门光谱显示 ν=3 时三个干涉边缘通道在空间上分离，其门至通道距离约为 100–150 nm，由频率-电压依赖性确定。
• ν=3 时的干涉图案最适于由三个谐波分量之和描述，其振幅分别为 A₁=0.25e²/h，A₂=0.052e²/h，A₃=0.0125e²/h，表明相干多通道输运。
• 外侧边缘通道的相对贡献以及配对/三重态态随背栅电压演化：在 ν=2.26 时，配对主导了干涉信号。
• 内侧边缘通道的干涉行为从库仑主导向 Aharonov-Bohm 主导的过渡是连续的，且与填充因子相关；后者在更高 ν 时因体-边缘耦合减弱而出现。

Figure 2: Gate-spectrocopy of inner channel Aharonov-Bohm interference a , Diagonal conductance as a function of plunger-gate voltage $V_{\rm{pg}}$ . b , Checkerboard pattern of the conductance oscillation as a function of $V_{\rm{pg}}$ and dc bias voltage. c , Calculated checkerboard pattern in the