[论文解读] Skyrmion solids in monolayer graphene

Haoxin Zhou, Hryhoriy Polshyn+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2019

Quantum and electron transport phenomena参考文献 42被引用 12

一句话总结

本研究首次直接观测到单层石墨烯中skyrmion固体的存在，其中电子关联导致在填充因子ν=1附近的最低Landau能级出现非共线自旋结构。通过改进的Corbino几何结构，作者在绝缘态中检测到受抑制的磁振子输运，证实了带有强自旋结构的带电skyrmion晶体的形成，而电荷电导率仍保持绝缘，表明存在一种超越传统电子固体的新型量子相。

ABSTRACT

Partially filled Landau levels host competing orders, with electron solids prevailing close to integer fillings before giving way to fractional quantum Hall liquids as the Landau level fills. Here, we report the observation of an electron solid with noncolinear spin texture in monolayer graphene, consistent with solidification of skyrmions---topological spin textures characterized by quantized electrical charge. In electrical transport, electron solids reveal themselves through a rapid metal-insulator transition in the bulk electrical conductivity as the temperature is lowered, accompanied by the emergence of strongly nonlinear dependence on the applied bias voltage. We probe the spin texture of the solids using a modified Corbino geometry that allows ferromagnetic magnons to be launched and detected. We find that magnon transport is highly efficient when one Landau level is filled ($ν=1$), consistent with quantum Hall ferromagnetic spin polarization; however, even minimal doping immediately quenches the the magnon signal while leaving the vanishing low-temperature charge conductivity unchanged. Our results can be understood by the formation of a solid of charged skyrmions near $ν=1$, whose noncolinear spin texture leads to rapid magnon decay. Data near fractional fillings further shows evidence for several fractional skyrmion crystals, suggesting that graphene hosts a vast and highly tunable landscape of coupled spin and charge orders.

研究动机与目标

• 为了探测由于强电子关联而理论上预期具有拓扑自旋结构的单层石墨烯中skyrmion固体的存在。
• 通过磁振子输运探测其独特的自旋结构，以区分skyrmion固体与传统电子固体。
• 利用静电调控和输运测量，绘制石墨烯中关联电子态的相图，特别是ν=1及分数填充附近区域。
• 解决长期以来关于skyrmion固体是否在石墨烯最低Landau能级中形成的问题，该现象虽在理论上预期但尚未在实验中得到证实。

提出的方法

• 在Corbino几何结构中制备了超高质量单层石墨烯器件，配备上下两层石墨烯背栅及硅背栅，实现对三个区域载流子密度的独立调控。
• 使用微分电导率测量探测体相电导率σxx，其中G ∝ σxx，从而能够检测金属-绝缘体相变。
• 采用改进的Corbino结构实现铁磁磁振子的注入与探测，支持对自旋结构敏感的非局域输运测量。
• 将区域II和III分别调制至ν=1和ν=2，以建立用于磁振子注入与探测的铁磁态。
• 在20 mK至600 mK范围内进行温度依赖的电导率测量，以识别具有非单调dG/dT行为的绝缘态。
• 采用锁相技术，结合低频交流激励（17.777 Hz）与高频非局域激励（1234.5 Hz），以最小化噪声与相移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单层石墨烯最低Landau能级中，ν=1附近是否如理论预测般形成skyrmion固体？
• RQ2 能否通过磁振子输运直接探测此类固体的自旋结构？其与传统电子固体有何不同？
• RQ3 ν=1附近的绝缘态具有何种性质？其与带电skyrmion的形成有何关联？
• RQ4 在分数填充处是否存在多种skyrmion固态相？它们如何通过载流子密度与磁场进行调控？
• RQ5 自旋结构与电荷序之间的相互作用如何影响量子霍尔区间的输运特性？

主要发现

• 在ν=1和ν=0附近出现异常绝缘态，其金属-绝缘体相变温度T ≈ 300–600 mK，表现为dG/dT由负变正，表明金属输运行为的破坏。
• 在ν=1时磁振子输运效率极高，与量子霍尔铁磁态一致，但即使轻微掺杂也会迅速抑制，表明存在强自旋结构。
• 尽管低温下电荷电导率趋于零，磁振子信号仍被显著抑制，证实了skyrmion固体特有的非共线自旋结构的存在。
• 在分数填充附近观察到多个分数skyrmion晶体的证据，表明存在复杂且可调的自旋-电荷有序态相图。
• 当|νI − νII| < 1时，系统无显著串联电阻，确认测得电导率主要由体相σxx主导，而非界面效应。
• 通过1234.5 Hz激励频率实现了高信噪比的非局域磁振子探测，清晰识别出自旋结构效应。