[论文解读] In-plane magnetic field-driven symmetry breaking in topological insulator-based three-terminal junctions

Jonas Kölzer, Kristof Moors+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 45被引用 10

一句话总结

本研究证明，在面内磁场作用下，通过利用相位相干表面态的轨道效应，可在基于拓扑绝缘体的三端口结中主动调控电流流向。磁场将表面态束缚在纳米带的两侧，破坏左右对称性，实现电流选择性地流向某一输出端口，从而有效充当具有π周期性调控特性的拓扑电子电流开关。

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.

研究动机与目标

• 研究三维拓扑绝缘体基三端口结在面内磁场下的磁输运特性。
• 确定面内磁场是否能够破坏拓扑绝缘体结中电流传输的左右对称性。
• 证明面内磁场可用作拓扑电子电路中电流导向的调控旋钮。
• 区分轨道效应与其他机制（如平面霍尔效应）作为观测到的电流导向效应的起源。
• 建立一个传输模型，结合半经典与量子输运模拟，解释观测到的导向模式。

提出的方法

• 采用选择性区域分子束外延（MBE）和原子层沉积技术制备Bi2Te3基T形三结。
• 在低温（25 mK）下进行面内磁场（最高0.5 T）磁输运测量，测量电流在左右输出支路的分流情况。
• 在恒定磁场强度下定义并分析导向比SR = (IR − IL)/(IR + IL)，以量化电流方向性。
• 使用基于Kwant的量子输运模拟和半经典模型，解释观测到的磁场依赖性电流导向行为。
• 通过修改传输系数以包含支路和表面相关的电阻，考虑接触电阻的影响。
• 将实验结果与理论预测进行对比，以排除弱反局域化或平面霍尔效应等其他机制的影响，明确轨道效应的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 面内磁场是否能在基于拓扑绝缘体的三端口结中诱导定向电流导向？
• RQ2 观测到的电流导向的起源是什么？具体而言，是源于轨道效应还是其他机制（如平面霍尔效应）？
• RQ3 磁场取向如何影响结各支路间的传输对称性？
• RQ4 接触电阻或几何不对称性在多大程度上影响观测到的导向行为？
• RQ5 电流导向能否通过基于表面态轨道束缚的统一传输模型来描述？

主要发现

• 观测到表面态电流具有明显的π周期性导向模式，电流根据面内磁场方向偏好流向某一输出端口。
• 导向比SR在相对于输入支路±45°和±135°方向出现交替的最大值与最小值，证实存在对称性破缺机制。
• 观测到的电流导向归因于轨道效应，该效应将相位相干的表面态束缚在纳米带两侧，破坏左右传输对称性。
• 该导向效应在宽范围磁场强度（高达0.5 T）和25 mK低温下均保持稳定，表明具有强相位相干性。
• 平面霍尔效应被排除为主要起源，因其温度依赖性微弱，而观测到的导向效应表现出显著的温度依赖性。
• 模拟与建模结果证实，轨道效应导致传输不对称，电流根据磁场方向与强度被优先引导至某一侧支路。