[论文解读] Quantum anomalous Hall effect in Mn doped HgTe quantum wells

Andreas Budewitz, Kalle Bendias+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2017

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文展示了在极低磁场（约70 mT）下，通过Mn²⁺离子的顺磁有序驱动，在Mn掺杂的HgTe量子阱中实现量子反常霍尔（QAH）效应。当Mn浓度和量子阱厚度达到临界值时，交换耦合打开自旋简并，形成具有量化霍尔电导ν = −1的稳健手性边缘通道，该结果通过温度依赖性和角度依赖性磁输运测量得到证实。

ABSTRACT

Magnetotransport measurements are presented on paramagnetic (Hg,Mn)Te quantum wells (QWs) with an inverted band structure. Gate-voltage controlled density dependent measurements reveal an unusual behavior in the transition regime from n- to p-type conductance: A very small magnetic field of approximately 70 mT is sufficient to induce a transition into the nu = -1 quantum Hall state, which extends up to at least 10 Tesla. The onset field value remains constant for a unexpectedly wide gate-voltage range. Based on temperature and angle-dependent magnetic field measurements we show that the unusual behavior results from the realization of the quantum anomalous Hall state in these magnetically doped QWs.

研究动机与目标

• 研究具有反转能带结构的顺磁性Mn掺杂HgTe量子阱中量子反常霍尔（QAH）效应的出现。
• 确定Mn掺杂和磁场在低场下稳定QAH态中的作用。
• 澄清所观测到的QAH态是否源于本征磁有序，而非外部铁磁性。
• 通过平面内磁场依赖性区分QAH效应与传统量子霍尔态。

提出的方法

• 采用分子束外延法生长Mn浓度为0.5%至4%、厚度在6–11 nm之间的（Hg,Mn）Te量子阱。
• 通过SiO₂/SiN绝缘层堆叠上的Au电极施加栅压，实现载流子密度在n型到p型转变区的调控。
• 在低温下（低至10 mK）使用交流技术在低温恒温器和高场磁体中进行磁输运测量。
• 通过角度依赖磁场测量，区分QAH效应中的顺磁性Mn有序效应与轨道贡献。
• 基于布里渊函数和塞曼耦合的理论建模，用于计算Mn自旋极化并与实验测得的霍尔电阻起始点进行比较。
• 分析朗道能级扇形图和微分电导图，以识别ν = −1平台及其随栅压和磁场的变化行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无长程铁磁有序的顺磁性（Hg,Mn）Te量子阱中实现量子反常霍尔效应？
• RQ2 稳定QAH态所需的最小磁场是多少？为何其值如此之低（约70 mT）？
• RQ3 ν = −1霍尔平台的起始行为如何依赖于Mn自旋极化度和温度？
• RQ4 QAH态在平面内磁场下是否能维持？其行为与传统量子霍尔态有何不同？
• RQ5 量子阱厚度和Mn浓度在实现从量子自旋霍尔到量子反常霍尔态转变中的作用是什么？

主要发现

• ν = −1量子霍尔平台在约70 mT的极低磁场下出现，表明量子反常霍尔态的起始。
• ν = −1平台的起始在宽广的栅压范围内保持恒定的Mn自旋极化度⟨S⟩ ≈ 0.1，表明需要达到临界磁化强度。
• 温度依赖性测量证实QAH平台与Mn离子的顺磁有序相关，其起始与自旋极化度增加同步。
• 角度依赖磁场测量显示，随着平面内磁场增加，QAH平台的最大垂直磁场减小，证实其源于交换耦合与顺磁有序。
• 相比之下，非磁性HgTe量子阱中的传统量子霍尔效应不受平面内磁场影响，确认QAH态并非传统QH态。
• QAH态在10 nm厚、2% Mn掺杂的特定（Hg,Mn）Te量子阱中稳定，其临界厚度与能带反转区域一致。