[论文解读] Visualizing Broken Symmetry and Topological Defects in a Quantum Hall Ferromagnet

Xiaomeng Liu, Gelareh Farahi+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2021

Quantum and electron transport phenomena被引用 15

一句话总结

本研究利用扫描隧道光谱（STS）技术，可视化了石墨烯基量子霍尔铁磁体中的谷对称性破缺与拓扑缺陷。研究观察到从谷极化态到具有凯库勒形变的谷间相干态的连续量子相变，并直接成像了束缚于带电缺陷的谷子晶体，为关联量子相中的拓扑激发提供了直接证据。

ABSTRACT

The interaction between electrons in graphene under high magnetic fields drives the formation of a rich set of quantum Hall ferromagnetic phases (QHFM), with broken spin or valley symmetry. Visualizing atomic scale electronic wavefunctions with scanning tunneling spectroscopy (STS), we resolve microscopic signatures of valley ordering in QHFM and fractional quantum Hall phases of graphene. At charge neutrality, we observe a field-tuned continuous quantum phase transition from a valley polarized state to an intervalley coherent state, with a Kekule distortion of its electronic density. Mapping the valley texture extracted from STS measurements of the Kekule phase, we visualize valley skyrmion excitations localized near charged defects. Our techniques can be applied to examine valley ordered phases and their topological excitations in a wide range of materials.

研究动机与目标

• 直接可视化石墨烯量子霍尔铁磁相中的微观电子波函数。
• 探究高磁场下谷对称性破缺及其拓扑激发的性质。
• 观察并表征谷极化态与谷间相干态之间由磁场调控的量子相变。
• 识别并绘制靠近带电缺陷的谷子晶体激发。
• 展示一种可推广的方法，用于研究关联二维材料中谷有序相及其拓扑缺陷。

提出的方法

• 利用扫描隧道光谱（STS）在高磁场下测绘石墨烯中的原子尺度电子波函数。
• 通过分析局域态密度的空间变化，从STS测量中提取谷纹理。
• 识别电子密度中的凯库勒形变为谷间相干性的特征。
• 通过重构谷序参数的空间分布，可视化量子相的纹理。
• 通过分析带电杂质周围谷纹理的卷绕行为，识别如谷子晶体等拓扑缺陷。
• 通过调节磁场和栅压，使系统跨越量子相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯量子霍尔铁磁体中谷有序相的微观结构是什么？
• RQ2 系统如何经历从谷极化态到谷间相干态的连续量子相变？
• RQ3 这些关联相中如谷子晶体等拓扑激发的本质是什么？
• RQ4 谷子晶体如何在空间上局域化并稳定在带电缺陷附近？
• RQ5 扫描隧道光谱能否以原子精度分辨谷纹理与拓扑缺陷？

主要发现

• 在电荷中性点观察到从谷极化态到谷间相干态的连续量子相变，由磁场调节驱动。
• 谷间相干态表现出电子密度中的凯库勒形变，ST数据中的空间调制证实了这一点。
• 谷纹理被直接可视化，揭示了具有子晶体激发特征的卷绕图案。
• 谷子晶体作为束缚于石墨烯晶格中带电杂质的局域拓扑缺陷被成像。
• 谷子晶体的空间范围与核心结构在原子尺度上被解析，证实了其拓扑本质。
• 该技术实现了对一系列二维材料中关联量子相的拓扑缺陷与对称性破缺的直接观测。