[论文解读] Low Magnetic Field Regime of a Gate-Defined Quantum Point Contact in High-Mobility Graphene

Louis Veyrat, Anna Jordan+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本研究在不同磁场下，探究了高迁移率石墨烯中门控定义的量子点接触的相干电子输运。研究揭示了在低场区域的法布里-珀罗共振，向高场区域的蛇形轨迹和电导振荡的转变，最终在鞍势约束下出现受扭曲的朗道能级光谱，该结果通过数值模拟得到证实。

ABSTRACT

We report on the evolution of the coherent electronic transport through a gate-defined constriction in a high-mobility graphene device from ballistic transport to quantum Hall regime upon increasing the magnetic field. At low field, the conductance exhibits Fabry-Perot resonances resulting from the npn cavities formed beneath the top-gated regions. Above a critical field $B^*$ corresponding to the cyclotron radius equal to the npn cavity length, Fabry-Perot resonances vanish and snake trajectories are guided through the constriction with a characteristic set of conductance oscillations. Increasing further the magnetic field allows us to probe the Landau level spectrum in the constriction, with distortions due to the combination of confinement and de-confinement of Landau levels in a saddle potential. These observations are confirmed by numerical calculations.

研究动机与目标

• 研究在不同磁场下，门控定义的石墨烯量子点接触中电子输运的演化。
• 理解在高迁移率石墨烯中，从弹道法布里-珀罗共振到磁导向蛇形轨迹的转变机制。
• 研究在鞍势约束区域中朗道能级谱的形成，并分析量子限制引起的畸变。
• 通过门控石墨烯结构中电子输运的数值模拟，验证实验观测结果。

提出的方法

• 制备具有顶栅量子点接触的高迁移率石墨烯器件，以形成 npn 型电子势阱。
• 施加垂直于石墨烯平面的磁场，以调控电子轨迹和朗道能级的形成。
• 测量电导随磁场和栅压的变化，以识别不同的输运行为。
• 识别临界磁场 $B^*$，此时回旋半径等于势阱长度，标志着从法布里-珀罗共振向蛇形轨迹的转变。
• 对鞍势中的电子输运进行数值建模，以模拟并确认观测到的电导振荡和朗道能级畸变。
• 分析电导振荡，提取受限区域中蛇形态特征和朗道能级量子化的特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着磁场增加，电导如何从弹道法布里-珀罗共振转变为磁导向输运？
• RQ2 回旋半径相对于势阱长度在决定向蛇形轨迹转变中的作用是什么？
• RQ3 在石墨烯中，具有鞍势的受限区域内，朗道能级如何形成并产生畸变？
• RQ4 数值模拟在多大程度上再现了观测到的电导振荡和输运转变？

主要发现

• 在低磁场下，由于顶栅区域形成的 npn 型势阱中电子的干涉，观测到法布里-珀罗共振。
• 在临界磁场 $B^*$ 以上，当回旋半径等于势阱长度时，法布里-珀罗共振消失，电导出现由蛇形轨迹引起的新型振荡。
• 进一步增加磁场后，可观测到一组与狭窄区域中朗道能级谱相关的特征电导振荡。
• 朗道能级谱显示出由于量子限制与鞍势区域中去限制效应共同作用而产生的畸变。
• 数值计算定量再现了实验观测结果，证实了蛇形态的存在以及几何限制的作用。