Materialen die topologische fasen vertonen, kunnen worden geclassificeerd op basis van hun dimensionaliteit, symmetrieën en topologische invarianten om geleidende randtoestanden te vormen met eigenaardige transport- en spin-eigenschappen. Bijvoorbeeld, het quantum Hall-effect kan optreden in tweedimensionale (2-D) elektronensystemen die worden blootgesteld aan een loodrecht magnetisch veld. Wanneer verschillende kenmerken van quantum Hall-systemen worden vergeleken met tijdomkering symmetrische (entropie geconserveerde) topologische isolatoren (TI's), ze lijken te vertrouwen op Coulomb-interacties tussen elektronen om een ​​schat aan sterk gecorreleerde, topologisch of symmetrie-geprojecteerde fasen in verschillende experimentele systemen.

In een nieuw verslag nu op Wetenschap , Louis Veyrat en een onderzoeksteam in materiaalkunde, kwantumoptica en opto-elektronica in Frankrijk, China en Japan hebben de grondtoestand van het grafeen nulde Landau-niveau afgestemd, d.w.z. orbitalen bezet door geladen deeltjes met discrete energiewaarden. Met behulp van geschikte screening van de Coulomb-interactie met de hoge diëlektrische constante van een strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ) substraat, ze observeerden robuust spiraalvormig randtransport bij magnetische velden zo laag als 1 Tesla, bestand tegen temperaturen tot 110 kelvin over micron-lange afstanden. Deze veelzijdige grafeenplatforms zullen toepassingen hebben in spintronica en topologische kwantumberekening.

Topologische isolatoren (TI's), d.w.z., een materiaal dat zich in zijn binnenste als een isolator gedraagt, maar een geleidende oppervlaktetoestand behoudt, met nul Chern-getal zijn naar voren gekomen als quantum Hall-topologische isolatoren (QHTI's) die voortkomen uit veel-lichaam-interagerende Landau-niveaus. Ze kunnen worden afgebeeld als twee onafhankelijke kopieën van kwantum Hall-systemen met tegengestelde chiraliteit, maar het experimentele systeem staat haaks op het beschreven scenario, waar een sterke isolerende toestand wordt waargenomen bij het vergroten van het loodrechte magnetische veld in ladingsneutraal, hoge mobiliteit grafeen apparaten.

De experimentele vorming van de ferromagnetische (F) fase (F-fase) in grafeen wordt daarom mogelijk gehinderd door dergelijke elektron-elektron- en elektron-fonon-interacties op roosterschaal. Om dit te overwinnen, wetenschappers hadden eerder een zeer sterke magnetische veldcomponent in het vlak van meer dan 30 Tesla toegepast om anisotrope interacties te overtreffen, waardoor de F-fase experimenteel naar voren kan komen in grafeen. In een andere strategie gebruikten ze grafeendubbellagen die twee verschillende quantum Hall-toestanden van tegengestelde ladingsdragertypes hosten, maar ze leden aan een onpraktisch sterk en gekanteld magnetisch veld of complexiteit van materiaalassemblage. Als resultaat, in dit werk Veyrat et al. gebruikte een andere benadering om de F-fase in monolaag grafeen te induceren. In plaats van de Zeeman-energie of het Zeeman-effect te versterken, d.w.z. het splitsen van een spectraallijn met behulp van een magnetisch veld om anisotrope interacties te overwinnen, ze wijzigden de interacties op roosterschaal ten opzichte van Coulomb-interacties om de dominante rol van de spin-polariserende termen te herstellen en de F-fase te induceren.

Voor deze, ze gebruikten kwantum para-elektrisch strontiumtitanaat (SrTiO ₃ ), waarvan bekend is dat ze een grote statische diëlektrische constante vertonen (D≈10 ⁴ ) bij lage temperaturen. De opstelling veranderde uiteindelijk de grondtoestand van grafeen bij ladingsneutraliteit. Veyrat et al. bereikt dit door grafeen-heterostructuren met hoge mobiliteit te ontwerpen op basis van hexagonale boornitride (hBN) inkapseling en gemakkelijk de opkomst van de F-fase in een afgeschermde configuratie waar te nemen. Door de elektronenbron en de afvoer (elektronenstroom) contacten in de opstelling te veranderen, en het aantal spiraalvormige randsecties, ze observeerden spiraalvormig randtransport. Veyrat et al. observeerde ook gelijktijdige metingen van weerstanden met twee aansluitingen en niet-lokale weerstand terwijl dezelfde bron- en afvoerstroominjectiecontacten werden behouden om de stroom aan de randen van het monster aan te tonen.

Om de robuustheid van spiraalvormig randtransport te onderzoeken, het team voerde systematische studies uit naar de afhankelijkheid van temperatuur en magnetische velden. De SrTiO ₃ diëlektrische constante bleef hoog genoeg tot 200 K, en de diëlektrische afscherming bleef vrijwel onaangetast. Om de limiet van gekwantiseerd spiraalvormig randtransport te begrijpen, het team heeft verschillende contactconfiguraties gemeten bij verschillende magnetische veld- en temperatuurwaarden om aan te tonen dat gekwantiseerd spiraalvormig randtransport bestand is tegen zeer hoge temperaturen tot 110 K.

Het team demonstreerde vervolgens de sleutelrol van de SrTiO ₃ diëlektrisch substraat tijdens de vestiging van de F-fase. Vanwege aanzienlijk verminderde elektron-elektron-interacties in een meting met een hoge diëlektrische constante, de F-fase kwam naar voren als een grondtoestand in de controle-experimenten. Veyrat et al. verder onderzocht de screening effecten en korte afstand rooster-schaal bijdragen van de Coulomb en elektron-fonon interacties om de energetisch gunstige grondtoestand te bepalen. De waargenomen mechanismen zullen spannende nieuwe perspectieven openen. Bijvoorbeeld, de Coulomb-energieschaal zou kunnen worden verbeterd door het magnetische veld te vergroten om een ​​topologische kwantumfaseovergang te induceren van de QHTI (quantum Hall topologische isolatoren) ferromagnetische fase naar een isolerende, triviale quantum Hall-grondtoestand - een type overgang dat tot nu toe weinig werd aangepakt.

Op deze manier, Louis Veyrat en collega's demonstreerden de ferromagnetische (F) fase in gescreend grafeen. De opstelling ontstond bij lage magnetische velden als een prototypische interactie-geïnduceerde topologische fase met robuust spiraalvormig randtransport. De randexcitaties waren afstembaar met magnetische velden om nul-energiemodi te bestuderen in supergeleiding-nabijgelegen architecturen. De methode van substraatscreening-engineering was afstembaar vanwege de dikte van de hBN-spacer die in het onderzoek werd gebruikt, het team verwacht daarom dat de grondtoestanden en opto-elektronische eigenschappen van andere gecorreleerde 2D-systemen even sterk worden beïnvloed door hun diëlektrische omgeving.

© 2020 Wetenschap X Netwerk