Het kwantum afwijkende Hall-effect (QAH) kan topologie en magnetisme combineren om nauwkeurig gekwantiseerde Hall-weerstand te produceren bij een magnetisch veld nul (een omgeving die zorgvuldig is afgeschermd van magnetische velden). In een recent rapport over Wetenschap , M. Serlin en een interdisciplinair onderzoeksteam in de afdeling Natuurkunde, National Institute of Materials Science en het Kavli Institute for Theoretical Physics in de VS en Japan hebben de waarneming van een QAH-effect in gedraaid dubbellaags grafeen uitgelijnd met hexagonaal boornitride gedetailleerd beschreven. Ze zorgden voor het effect via intrinsieke sterke interacties, die de elektronen polariseerde in een enkele spin- en vallei-opgeloste moiré-miniband (interferentiepatroon).

Wanneer een magnetisch veld loodrecht op de stroom in een dunne film wordt aangelegd, een elektrisch veld dat bekend staat als het Hall-effect kan onderling loodrecht op de stroom en het magnetische veld worden opgewekt. Een abnormaal Hall-effect vereist gecombineerde magnetische polarisatie en spin-baankoppeling in afwezigheid van een extern magnetisch veld (vandaar de anomalie). Wanneer het afwijkende Hall-effect wordt gekwantiseerd, het staat bekend als het kwantum afwijkende Hall-effect. In tegenstelling tot magnetisch gedoteerde systemen, de transportenergiekaart gemeten door Serlin et al. was groter dan de Curie-temperatuur voor magnetische ordening. Elektrische stromen zo klein als 1 nA kunnen de magnetische volgorde regelbaar schakelen tussen toestanden van tegengestelde polarisatie om een ​​elektrisch herschrijfbaar magnetisch geheugen te vormen.

Natuurkundigen en materiaalwetenschappers kunnen tweedimensionale isolatoren classificeren met behulp van de topologie van hun gevulde energiebanden. Bij afwezigheid van tijdomkeersymmetrie (behoud van entropie), niet-triviale bandtopologie kan zich experimenteel manifesteren als gekwantiseerde Hall-geleidbaarheid. Onderzoekers worden gemotiveerd door fundamentele vragen over de aard van topologische faseovergangen en hun mogelijke toepassingen in weerstandsmetrologie en in topologische kwantumcomputers. Ze hebben aanzienlijke inspanningen geleverd om gekwantiseerde abnormale Hall-effecten te ontwikkelen met topologisch beschermde gekwantiseerde weerstand in afwezigheid van een aangelegd magnetisch veld. Wetenschappers hadden tot nu toe alleen QAH-effecten waargenomen in een beperkte klasse van materialen die gedoteerde overgangsmaterialen bevatten. De magnetische momenten van dotering in deze materialen braken de tijdomkeringssymmetrie, gecombineerd met de sterk spin-baan gekoppelde elektronische structuren om topologisch niet-triviale Chern-banden (energiebanden) te produceren.

De prestaties van deze materialen zijn, echter, beperkt door de inhomogene verdeling van magnetische doteermiddelen (additieven), leidt tot structurele, lading en magnetische wanorde op microschaal. De resulterende kwantisatie vindt daarom plaats bij temperaturen die ongeveer een orde van grootte kleiner zijn dan de magnetische ordeningstemperatuur. Om intrinsieke kwantum afwijkende Hall-effecten te ontwikkelen, moiré grafeen heterostructuren bieden twee essentiële ingrediënten; topologische banden en sterke correlaties. Bijvoorbeeld, in hexagonaal boornitride (hBN) en gedraaid meerlagig grafeen, moiré-patronen produceren in het algemeen banden met eindig Chern-getal, waar tijdomkeringssymmetrie van de bandstructuur met één deeltje kan worden afgedwongen door Chern-nummers in tegenovergestelde grafeenvalleien te annuleren. Bijvoorbeeld, in specifieke heterostructuren zoals gedraaid dubbellaags grafeen (tBLG) met een tussenlaagse draaihoek en rhomboëdrisch grafeen uitgelijnd met hBN, de bandbreedte van Chern-banden kan uitzonderlijk klein worden gemaakt. Wetenschappers hebben toestanden van magnetische hysterese (afwijking van de theoretische waarde) ten opzichte van tijdomkering van symmetriebreking in tBLG- en hBN-heterostructuren aangetoond om grote afwijkende Hall-effecten te laten zien.

In het huidige werk, Serlin et al. observeerde een QAH (quantum anomaal Hall) effect dat een robuuste magnetische veldkwantisatie laat zien in een platte band tBLG (twisted bilayer grafeen) monster uitgelijnd met hBN (hexagonaal boornitride). Ze beschreven de elektronische structuur van de flat-band tBLG via twee verschillende banden per spin en dalprojectie, geïsoleerd van dispersieve banden met hogere energie door een energiekloof. De platte banden hadden een totale capaciteit van acht elektronen per eenheidscel, het onderzoeksteam definieerde de bandvulfactor als ν =nA _m , waarbij n gelijk was aan de elektronendichtheid en A _m gelijk aan een oppervlakte van 130 nm ² binnen de moiré-eenheidscel.

Het team registreerde de longitudinale en Hall-weerstand bij een magnetisch veld (B) van 150 mT en temperatuur (T) van 1,6 K, als functie van de ladingsdichtheid over de gehele vlakke band. Ze zagen dat de Hall-weerstand hysteretisch was (achterblijvend in reactie op veranderende omstandigheden) en de resultaten toonden een QAH-toestand die werd gestabiliseerd door spontaan verbroken tijdomkeringssymmetrie. De wetenschappers observeerden alleen de gekwantiseerde respons voor een bepaalde keuze van contacten in een specifiek compartiment van het apparaat. Het waargenomen magnetisme kwam voort uit de 2D-aard van de grafeenbanden. Serlin et al. het apparaat technisch uitgelijnd op een van de hBN-lagen en op basis van de waarnemingen, voorspelde dat de hBN-uitgelijnde monsters een andere klasse van tBLG-apparaten vormen met verschillende fenomenologie.

Naarmate de temperatuur van het systeem toenam, de wetenschappers zagen een afwijking van weerstandskwantisatie en onderdrukking van hysterese met het Hall-effect om lineair gedrag in het veld aan te tonen bij 12 K. Ze observeerden eindige hysterese tot temperaturen van 8 K, consistent met de Curie-temperatuur (T _C =7,5 K). Daarna, om de energieschalen in verband met de QAH-staten kwantitatief te beoordelen, het team mat de activeringsenergie bij een lagere temperatuur. Ze merkten op dat de activeringsenergie meerdere keren groter was dan T _C , in tegenstelling tot magnetisch gedoteerde isolatorfilms waar de activeringsspleten typisch 10 tot 50 keer kleiner waren dan T _C.

Omdat de ferromagnetische domeinen in tBLG sterk kunnen interageren met aangelegde stroom om deterministische controle binnen het apparaat mogelijk te maken voor domeinpolarisatie met uitzonderlijk kleine gelijkstroomstromen. In het huidige werk, de toegepaste gelijkstroom dreef schakelen vergelijkbaar met die waargenomen in een aangelegd magnetisch veld, hysteretisch schakelen tussen magnetisatietoestanden te produceren. Serlin et al. ook deterministisch niet-vluchtig elektrisch schrijven en lezen van een magnetische bit verkregen met behulp van een opeenvolging van 20 nA-stroompulsen om de magnetisatie controleerbaar om te keren, gevolgd door een uitlezing met behulp van de grote resulterende verandering in de Hall-weerstand. De absolute grootte van de stroom die nodig is om de magnetisatietoestand van het systeem te schakelen, was ongeveer 10 ^-9 EEN, aanzienlijk kleiner dan die gerapporteerd in een eerder systeem.

Op basis van de resultaten, het team stelde een eenvoudig mechanisme voor om de waargenomen schakeling met lage stroomsterkte te verklaren die voortkwam uit het samenspel van randtoestandsfysica en apparaatasymmetrie. Overeenkomstig, in een QAH (quantum anomaal Hall) systeem, een aangelegde stroom kan een chemisch potentiaalverschil genereren tussen de chirale eendimensionale modi die zich op tegenoverliggende monsterranden bevinden. Wanneer de randen verschillende lengtes of snelheden hebben, de stroom gaf de voorkeur aan een van de twee domeinen waar het teken en de grootte van het effect werden bepaald volgens de symmetrie van het apparaat. Op deze manier, M. Serlin en collega's merkten op dat het waargenomen effect generiek is voor alle QAH-systemen en waarschijnlijk dominant is bij lage stromen in tBLG vanwege de zwakke pinning van magnetische domeinen en kleine apparaatafmetingen. Het werk biedt een technische parameter voor elektrische besturing van domeinstructuur, die deterministisch kan worden gecodeerd in de apparaatgeometrie.

© 2020 Wetenschap X Netwerk