science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoek naar werk en warmteafvoer in de quantum Hall-randen van grafeen

Video 1:Een reeks temperatuurscans voor verschillende backgate-spanningen V bg verhoogd van -8 V tot 8 V bij 4,2 K, B z =1 T, en V tg =8 V. Een stroom Idc wordt aangedreven van de onderste vernauwing naar een van de bovenste contacten en de waarde van de stroom wordt aangepast met Vbg om het totale gedissipeerde vermogen in het monster van R te behouden 2p l dc 2=​​10 nW. De chiraliteit van het systeem is tegen de klok in voor negatieve Landau-niveaus en met de klok mee voor positieve Landau-niveaus. In de video, men kan de evolutie van entropiegeneratieprocessen observeren, zichtbaar als scherpe ringen langs de randen, en de evolutie van processen voor het genereren van werk, die verschijnen in de vorm van grotere, meer vage kenmerken. Bij grote vulfactoren |ν|≥ 10, overwegend stroomafwaartse "entropie" ringen zijn zichtbaar langs de onderrand van het monster rechts (links) van de vernauwing voor negatieve (positieve) ν. In dit geval is het aantal stroomafwaartse kanalen aanzienlijk groter dan van de stroomopwaartse randgereconstrueerde kanalen. Als resultaat, de kanalen zijn beter geëquilibreerd en daarom is er minder terugverstrooiing en minder werk aan de randen. In deze situatie wordt het meeste werk verricht bij de vernauwing en de energetische dragers die bij de vernauwing worden geïnjecteerd, stromen stroomafwaarts en verliezen hun overtollige energie door resonante fonon-emissie bij de atoomdefecten die zichtbaar zijn als de "entropieringen". Deze ringen vervallen over een afstand van ~15 µm vanaf de vernauwing. Op |ν|≲ 10, "werk" bogen beginnen te verschijnen naast de "entropie" ringen langs zowel stroomafwaartse als stroomopwaartse richtingen en de chiraliteit gaat geleidelijk verloren. Dit gedrag komt voort uit terugverstrooiing tussen zich niet voortplantende niet-topologische kanalen, wat resulteert in het genereren van werk langs de kanalen die aanleiding geven tot bogen. Dit werk, gegenereerd over de gehele lengte van de kanalen in plaats van bij de vernauwing, in nu de dominante energiebron die de "entropie" ringen "voedt", wat de afwezigheid van verval in de ringintensiteit en de afwezigheid van chiraliteit verklaart. Deze dissipatie, verdeeld over de volledige lengte van de randen, wordt het meest prominent in de laagste LL, nLL=0, waar geen topologische randkanalen aanwezig zijn. Toch vloeit het grootste deel van de stroom nog steeds langs de randen vanwege de aanwezigheid van een of meer paren zich tegen elkaar voortplantende niet-topologische randkanalen. In deze metalen toestand, evenals in hogere LL-metaaltoestanden, in plaats van de algemeen aangenomen terugverstrooiing tussen de tegenoverliggende randen van het monster, de meeste terugverstrooiing vindt plaats tussen de zich in tegengestelde richting voortplantende kanalen binnen de randen. Dit is de reden dat in Video V1 we observeren nauwelijks enige dissipatie in de bulk bij elke waarde van Vbg, behalve heel dicht bij het ladingsneutraliteitspunt, waarbij de totale dissipatie in het monster een maximum bereikt, waarbij nauwelijks zichtbare ringen langs de binnenranden van de vierkante gaten zichtbaar worden (ν=-0.14 frame). Krediet:Weizmann Institute of Science

Door onze nano-SQUID op de punt te combineren met scanning gate-metingen in de quantum Hall-fase van grafeen, konden we werk- en warmtedissipatieprocessen afzonderlijk meten en identificeren. De metingen laten zien dat de dissipatie wordt bepaald door overspraak tussen zich tegengestelde paren stroomafwaartse en stroomopwaartse kanalen die verschijnen aan grafeengrenzen vanwege randreconstructie.

In plaats van lokale Joule-verwarming, echter, het dissipatiemechanisme omvat twee verschillende en ruimtelijk gescheiden processen. Het werkgenererende proces dat we direct in beeld brengen en dat elastische tunneling van ladingsdragers tussen de kwantumkanalen omvat, bepaalt de transporteigenschappen maar genereert geen lokale warmte.

Het onafhankelijk gevisualiseerde proces voor het genereren van warmte en entropie, in tegenstelling tot, komt niet-lokaal voor bij inelastische resonante verstrooiing van enkele atoomdefecten aan grafeenranden (zie ook ons ​​vorige werk), terwijl het transport niet wordt beïnvloed. Onze bevindingen bieden een cruciaal inzicht in de mechanismen die de echte topologische bescherming verbergen en suggereren locaties voor het ontwerpen van robuustere kwantumtoestanden voor apparaattoepassingen. Hieronder staan ​​reeksen scans gemeten op verschillende grafeenapparaten bij 4,2 K.

Een reeks scanpoortbeelden van de weerstand met vier sondes Rxx (r) in een ingezoomd gebied langs de bovengrens van hetzelfde monster als in Video 1. De Rxx (r) =Vxx (r)/Idc wordt opgenomen als een functie van de puntpositie r voor verschillende achterpoortspanningen Vbg. Hier is het geïnjecteerde totale vermogen kleiner in vergelijking met Video 1. De gestippelde horizontale lijn geeft de bovenrand van het monster aan.
Video V3 toont een voorbeeld van de evolutie van de gelijktijdig verkregen thermische en scanning gate Rxx (r) beelden bij variërende Vpg. Voor deze hoge Vtg (6 V) worden de "entropieringen" en de "werkboogachtige kenmerken" gemakkelijk opgelost. De ringen als gevolg van fonon-emissie bij de atoomdefecten worden waargenomen in de thermische beelden langs de gehele grafeenomtrek, zichtbaar in de vorm van scherpe ringen met een kleinere diameter. Ze worden aangedreven door het werkproces op afstand, zelfs wanneer deze laatste aanzienlijk van de randen worden verschoven door het plunjerpoortpotentieel. Deze ringen zijn onzichtbaar in de Rxx(r)-afbeeldingen omdat de dissipatieprocessen geen terugverstrooiing van de drager veroorzaken. De grotere "werk"-boogachtige kenmerken worden duidelijk gevisualiseerd in de Rxx (r)-afbeeldingen (lichtblauw tot rood) en onthullen de werkgeneratie door terugverstrooiing van de drager. Aangezien het werk niet-lokale verwarming veroorzaakt, deze kenmerken worden ook waargenomen in de warmtebeelden in de vorm van halo's langs hun buitencontouren.
Opmerkelijk, de door de punt veroorzaakte weerstand kan extreem groot zijn, Rxx(r)≫R0, waarbij Rxx (r)-R0 enkele kΩ en tot 20 kΩ in het nulde Landau-niveau bereikt. Ondanks zijn zeer grote waarde vinden we dat Rxx (r) in wezen stroomonafhankelijk is, zoals aangetoond in Video V4. Hier wordt de wisselstroom Iac met meer dan twee ordes van grootte gevarieerd van 10 nA tot 1,4 µA met slechts een kleine verandering in Rxx (r). De huidige onafhankelijke Rxx (r) houdt in dat de resulterende arbeid en de niet-lokale warmtedissipatie kwadratisch toenemen met Iac. Inderdaad, het tweede harmonische thermische signaal in Video V4 ligt onder onze gevoeligheid bij lage stromen en groeit kwadratisch met de stroom mee. Merk op dat de scherpe thermische ringen in de afbeeldingen bij verhoogde stromingen wijk zijn van de "werk" boogachtige patronen die zichtbaar zijn in zowel thermische als Rxx (r) scans.
Video V5 toont een voorbeeld van de evolutie van Rxx (r) bij het variëren van V_tg bij een neutrale plunjerpoort, en zeer lage stroom van Iac =10 nA. Een negatieve Vtg veroorzaakt ophoping van gaten onder de punt, maar dit heeft geen waarneembaar effect. Dit komt doordat gatenaccumulatie al aanwezig is langs de randen en het vergroten van deze accumulatie in een zeer klein gebied de terugverstrooiing niet noemenswaardig beïnvloedt (verlaagt). Als Vtg wordt verhoogd tot kleine positieve waarden, de geïnduceerde uitputting van de gatenaccumulatie veroorzaakt compressie van de zich in tegengestelde richting voortplantende kanalen, wat resulteert in verbeterde terugverstrooiing en het verschijnen van overeenkomstige kenmerken in R_xx (r) die de locaties van de meest dominante verstrooiingslocaties onthullen. Wanneer Vtg voldoende groot wordt (bijv. 1,75 V) om de zich in tegengestelde richting voortplantende kanalenparen af ​​te snijden, de versterkte Rxx (r) wordt zichtbaar langs de gehele rand van het monster waar de niet-topologische kanalen aanwezig zijn, vertonen een zeer ongeordende structuur. Voor Vtg≳ 3 worden V-boogachtige kenmerken gevormd die in diameter toenemen en zeer fijn worden bij verdere toename van Vtg. In dit geval wordt onder de punt een n-gedoteerde zak gevormd. Bij hoge Vtg zal deze pocket een aantal Landau-niveaus bevatten met randkanalen die sterk zijn gecomprimeerd tegen het steile randpotentieel, blijkbaar veroorzaakte verhoogde terugverstrooiing tussen de kanalen door de resonantietoestanden bij de individuele atoomdefecten. De bogen zijn zeer fijn bij de aangelegde lage stroom van 10 nA en worden vager bij hogere stromen.



Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Net als doorgewinterde vakantieliefhebbers, majoid krabben versieren hun schelpen
  2. Materialen die nodig zijn om een ​​diercelmodel te maken
  3. Hoe het Jeruzalem-syndroom werkt
  4. The Anatomy of the Hydra
  5. Welk bewijs is aanwezig Prokaryoten bestonden vóór eukaryoten?
  6. Rechtbank vindt het goed om een ​​soort uil te doden om het effect op andere uilen te zien
  7. Waarom lopen mensen meestal in dezelfde richting?
  8. Moeder-kind linkerzijde face-to-face voorkeur bleek zich uit te strekken tot walrussen en Indiase vliegende vossen
  9. Maak kennis met de kleine machines in cellen die virussen afslachten

Wetenschap