[论文解读] Unveiling excitonic properties of magnons in a quantum Hall ferromagnet

Alexandre Assouline, Jong‐Gul Yoon+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 19被引用 2

一句话总结

本研究首次通过实验提供了石墨烯量子霍尔铁磁体在填充因子 ν=1 时，与磁振子相关的电偶极矩的证据。研究人员利用马赫-曾德尔干涉仪作为量子传感器，检测到由磁振子电偶极矩引起的干涉图案相位移和可见度降低，证明其在退相干中的作用，并实现了对基于磁振子的量子电路的静电调控。

ABSTRACT

Magnons enable transferring a magnetic moment or spin over macroscopic distance. In quantum Hall ferromagnet, it has been predicted in the early 90s that spin and charges are entangled, meaning that any change of the spin texture modifies the charge distribution. As a direct consequence of this entanglement, magnons carry an electric dipole moment. Here we report the first evidence of the existence of this electric dipole moment in a graphene quantum Hall ferromagnet using a Mach-Zehnder interferometer as a quantum sensor. By propagating towards the interferometer through an insulating bulk, the magnon electric dipole moment modifies the Aharonov-Bohm flux through the interferometer, changing both its phase and its visibility. In particular, we relate the phase shift to the sign of this electric dipole moment, and the exponential loss of visibility to the flux of emitted magnons. Finally, we probe the emission energy threshold of the magnons close to filling factor v=1. Approaching v=0, we observe that the emission energy threshold diminishes towards zero, which might be linked to the existence of gapless mode in the canted-antiferromagnetic (CAF) phase at v=0. The detection and manipulation of magnons based on their electric dipole open the field for a new type of coherent magnon quantum circuits that will be electrostatically controlled.

研究动机与目标

• 通过实验探测量子霍尔铁磁体中磁振子的激发子特性。
• 探测并表征由自旋-电荷纠缠预测的磁振子电偶极矩。
• 研究在 ν=1 和 ν=0 附近填充因子变化时磁振子发射的能量阈值。
• 证明干涉仪中磁振子引起的退相干完全源于其电偶极矩，而非磁矩。
• 探索静电控制、相干磁振子基量子电路的潜力。

提出的方法

• 采用基于石墨烯的马赫-曾德尔干涉仪（MZI），检测传播磁振子引起的相位与可见度变化。
• 利用背栅PN结调节填充因子 νT，并通过电压偏置的欧姆接触控制磁振子发射。
• 测量非局域电压响应及 MZI 干涉振荡随发射电压 V_E 和背栅电压 V_BG 的变化。
• 采用模型表明，可见度损失随磁振子通量呈指数增长，将退相干归因于电偶极矩。
• 将相位移与电偶极矩的符号相关联，并观察到强烈的磁场依赖性。
• 通过调节 νB 接近 ν=1 和 ν=0，分析发射阈值能量，与倾倒反铁磁相（CAF）的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于自旋-电荷纠缠，量子霍尔铁磁体中的磁振子是否携带电偶极矩？
• RQ2 能否通过马赫-曾德尔干涉仪中的干涉现象探测磁振子的电偶极矩？
• RQ3 磁振子发射能量阈值如何随填充因子变化，特别是在 ν=0 附近？
• RQ4 观测到的 MZI 可见度损失的根源是磁矩还是电偶极矩？
• RQ5 在 ν=0 倾倒反铁磁相附近是否存在无能隙磁振子模式的证据？

主要发现

• MZI 振荡中的相位移与磁振子电偶极矩的符号直接相关，证实了其存在。
• MZI 中的可见度损失随发射磁振子通量呈指数增长，与电偶极矩引起的退相干一致。
• 当填充因子趋近 ν=0 时，磁振子发射阈值降低至零，表明存在无能隙模式。
• 观测到的退相干无法用磁矩或直流偏置效应解释，因为 MZI 可见度在高达 250 µV 偏置下仍保持稳定。
• 在 ν=0 附近，系统表现出倾倒反铁磁相（CAF）的特征，预测存在单一无能隙模式，其能量趋近于零。
• 本研究为利用电偶极矩作为可调自由度，实现静电控制、相干磁振子电路提供了可行路径。