[论文解读] 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 17

一句话总结

本研究通过普遍电导涨落和弱反局域化现象，展示了选择性外延生长的(Bi0.57Sb0.43)2Te3纳米带中相位相干的电子输运。利用角度依赖的磁电输运测量，识别出与五层结构平行排列的、定义明确的相位相干环路，其提取的相位相干长度超过100 nm，表明拓扑绝缘体纳米结构中存在长程量子相干性。

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.

研究动机与目标

• 研究选择性外延生长的(Bi0.57Sb0.43)2Te3纳米带中的相位相干输运，以服务于拓扑量子计算。
• 确定拓扑绝缘体纳米结构中相位相干环路的空间取向和相干长度。
• 理解缺陷结构与表面态输运在量子干涉现象中的作用。
• 比较从普遍电导涨落和弱反局域化效应中提取的相位相干长度。

提出的方法

• 采用选择性区域分子束外延（MBE）技术，在光刻图案化的SiO2/Si3N4掩膜中生长(Bi0.57Sb0.43)2Te3纳米带。
• 通过Ti/Au和Nb/Au欧姆接触制备霍尔条形和纳米带结构，用于电输运测量。
• 在1.4 K至35 K的温度范围内，利用旋转样品架和锁相技术，以10 nA交流电流进行角度依赖的磁电输运测量。
• 通过分析磁电导振荡，对普遍电导涨落（UCF）和弱反局域化（WAL）进行处理，以提取相位相干长度lφ。
• 利用电导涨落对磁场倾斜角的依赖关系，推断相位相干环路相对于五层结构的空间取向。
• 应用电子在具有不同磁通包围的闭合路径上干涉的理论模型，以解释UCF和WAL数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 选择性外延生长的(Bi0.57Sb0.43)2Te3纳米带中，相位相干环路的空间取向是什么？
• RQ2 从普遍电导涨落提取的相位相干长度与从弱反局域化提取的相比如何？
• RQ3 观测到的电导涨落的来源是什么——缺陷诱导的环路还是本征表面态干涉？
• RQ4 磁场取向如何影响干涉图样，这揭示了环路的几何结构信息？
• RQ5 为何在此体系中，从UCF提取的相位相干长度大于从WAL提取的值？

主要发现

• 根据磁场倾斜角依赖性测量结果，纳米带中的相位相干环路优先沿(Bi0.57Sb0.43)2Te3材料的五层结构方向排列。
• 从普遍电导涨落提取的电子相位相干长度lφ约为120 nm，表明存在长程量子相干性。
• 从弱反局域化提取的相位相干长度较小，约为80 nm，表明可能存在因对不同散射机制敏感性差异导致的差异。
• 电导涨落归因于定义明确、分辨清晰的相位相干环路中的干涉，而非随机无序。
• 观测到的UCF和WAL效应与具有不同磁通包围的闭合路径上电子干涉一致，证实了相位相干输运的存在。
• 结果表明，选择性外延生长的拓扑绝缘体纳米带可在数十纳米范围内支持稳健的相位相干输运，这对拓扑量子比特的集成至关重要。