El dispositivo tBLG. (A) Micrografía óptica del dispositivo. La barra de escala corresponde a 10 µm. (B) Esquema de una heteroestructura tBLG. tBLG está encapsulado entre escamas de hBN, con un copo de grafito de pocas capas utilizado como puerta. (C) Imagen óptica de la pila. El borde cristalino del hBN superior y la capa superior de tBLG están alineados con un desplazamiento angular de 30 grados en los planos de escisión marcados. (D) Imagen óptica de la pila antes del grabado, mostrando la capa superior del tBLG (línea discontinua roja), capa inferior del tBLG (línea discontinua blanca), y la puerta inferior (línea verde sólida). Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aay5533
El efecto Hall anómalo cuántico (QAH) puede combinar topología y magnetismo para producir una resistencia Hall cuantificada con precisión en un campo magnético cero (un entorno cuidadosamente protegido de los campos magnéticos). En un informe reciente sobre Ciencias , M. Serlin y un equipo de investigación interdisciplinario en el Departamento de Física, El Instituto Nacional de Ciencia de Materiales y el Instituto Kavli de Física Teórica en los EE. UU. Y Japón detallaron la observación de un efecto QAH en grafeno bicapa retorcido alineado con nitruro de boro hexagonal. Impulsaron el efecto a través de fuertes interacciones intrínsecas, que polarizó los electrones en un solo espín y minibanda muaré (patrón de interferencia) con resolución valle.
Cuando se aplica un campo magnético en ángulo recto al flujo de corriente en una película delgada, Se puede generar un campo eléctrico conocido como efecto Hall mutuamente perpendicular a la corriente y al campo magnético. Un efecto Hall anómalo requiere una polarización magnética combinada y un acoplamiento de espín-órbita en ausencia de un campo magnético externo (de ahí la anomalía). Cuando se cuantifica el efecto Hall anómalo, se conoce como efecto Hall anómalo cuántico. A diferencia de los sistemas dopados magnéticamente, el mapa de energía de transporte medido por Serlin et al. era mayor que la temperatura de Curie para el orden magnético. Las corrientes eléctricas tan pequeñas como 1 nA podrían cambiar de manera controlable el orden magnético entre estados de polarización opuesta para formar una memoria magnética regrabable eléctricamente.
Los físicos y los científicos de materiales pueden clasificar los aisladores bidimensionales utilizando la topología de sus bandas de energía llenas. En ausencia de simetría de inversión del tiempo (conservación de la entropía), La topología de banda no trivial puede manifestarse experimentalmente como conductividad Hall cuantificada. Los investigadores están motivados por preguntas fundamentales sobre la naturaleza de las transiciones de fase topológica y sus posibles aplicaciones en metrología de resistencia y en computación cuántica topológica. Han dedicado esfuerzos significativos para diseñar efectos Hall anómalos cuantificados con resistencia cuantificada protegida topológicamente en ausencia de un campo magnético aplicado. Los científicos solo hasta ahora habían observado efectos QAH en una clase limitada de materiales que contienen materiales de transición dopados. Los momentos magnéticos dopantes en estos materiales rompieron la simetría de inversión del tiempo, combinado con las estructuras electrónicas fuertemente acopladas a la órbita de espín para producir bandas de Chern topológicamente no triviales (bandas de energía).
Efecto Hall anómalo cuantificado en grafeno bicapa retorcido a 1,6 K. (A) Resistencia longitudinal Rxx y resistencia Hall Rxy en función de la densidad de portadores n a 150 mT. Rxy alcanza h / e2 y Rxx se acerca a cero cerca de ν =3. Los datos se corrigen para la mezcla de los componentes Rxx y Rxy mediante la simetrización con respecto al campo magnético en B =± 150 mT. (B) Resistencia longitudinal Rxx y resistencia Hall Rxy medidas en n =2,37 × 10 ^ 12 cm − 2 en función de B. Los datos se corrigen para la mezcla usando simetrización de contacto. Las direcciones de barrido se indican mediante flechas. (C) Resistencia Hall Rxy en función del campo magnético B y la densidad n. Las áreas del bucle de histéresis están sombreadas para mayor claridad. La pared posterior muestra valores simétrizados de entrenamiento de campo de Rxy en B =0. Rxy (0) se vuelve distinto de cero cuando aparece el ferromagnetismo y alcanza una meseta de h / e2 cerca de una densidad de n =2,37 × 10 ^ 12 cm − 2. (D) Estructura de banda esquemática en el llenado completo de una celda unitaria de muaré (ν =4) y ν =3. El número de Chern neto Cnet ≠ 0 en ν =3. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aay5533.
El rendimiento de estos materiales es, sin embargo, limitado por la distribución no homogénea de dopantes magnéticos (aditivos), conduciendo a estructural, carga y desorden magnético a microescala. Por tanto, la cuantificación resultante se produce a temperaturas que son aproximadamente un orden de magnitud más pequeñas que la temperatura de ordenación magnética. Para diseñar efectos Hall anómalos cuánticos intrínsecos, Las heteroestructuras de grafeno moiré proporcionan dos ingredientes esenciales; bandas topológicas y fuertes correlaciones. Por ejemplo, en nitruro de boro hexagonal (hBN) y grafeno multicapa retorcido, Los patrones de muaré producen genéricamente bandas con un número Chern finito, donde la simetría de inversión de tiempo de la estructura de banda de una sola partícula se puede hacer cumplir cancelando los números de Chern en los valles de grafeno opuestos. Por ejemplo, en heteroestructuras específicas como el grafeno bicapa retorcido (tBLG) con un ángulo de torsión entre capas y el grafeno romboédrico alineado con hBN, el ancho de banda de las bandas de Chern puede hacerse excepcionalmente pequeño. Los científicos han demostrado estados de histéresis magnética (desviación del valor teórico) en relación con la ruptura de la simetría de inversión del tiempo en heteroestructuras tBLG y hBN para mostrar grandes efectos Hall anómalos.
En el presente trabajo, Serlin y col. observaron un efecto QAH (Hall anómalo cuántico) que muestra una cuantificación robusta del campo magnético en una muestra de tBLG (grafeno bicapa trenzado) de banda plana alineada con hBN (nitruro de boro hexagonal). Describieron la estructura electrónica de la tBLG de banda plana a través de dos bandas distintas por proyección de espín y valle aisladas de las bandas dispersivas de mayor energía por un espacio de energía. Las bandas planas tenían una capacidad total de ocho electrones por celda unitaria, el equipo de investigación definió el factor de llenado de la banda como ν =nA metro , donde n es igual a la densidad de electrones y A metro igualó un área de 130 nm 2 dentro de la celda unitaria de muaré.
Dependencia de la temperatura del efecto Hall anómalo cuántico. (A) Rxy y (B) Rxx en función de B medido a varias temperaturas para n =2,37 × 1012 cm − 2. La mezcla de Rxx y Rxy se corrigió usando simetrización de contacto. (C) Dependencia de la temperatura de la resistencia simétrica de entrenamiento de campo xy R en B =0, como se describe en el texto principal. Se determinó que la temperatura de Curie era TC ≈ 7,5 (0,5) K utilizando un análisis de gráfico de Arrott. Recuadro:dependencia detallada de la temperatura baja de la desviación de xy R del valor cuantificado en B =0. Las barras de error son el error estándar derivado de 11 mediciones consecutivas. xy R se satura por debajo de ≈3 K a un valor determinado promediando los puntos entre 2 y 2.7 K. (D) Gráficos de Arrhenius de resistencias simétricas de entrenamiento de campo en B =0. Las líneas punteadas indican ajustes de activación representativos. El tratamiento sistemático de la incertidumbre que surge de la ausencia de un único régimen activado da Δ =31 ± 11 K y 26 ± 4 K. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aay5533
El equipo registró la resistencia longitudinal y Hall en un campo magnético (B) de 150 mT y una temperatura (T) de 1,6 K. en función de la densidad de carga en toda la banda plana. Observaron que la resistividad de Hall era histerética (retrasada en respuesta a condiciones cambiantes) y los resultados mostraron un estado QAH estabilizado por simetría de inversión de tiempo rota espontáneamente. Los científicos solo observaron la respuesta cuantificada para una elección particular de contactos en un compartimento específico del dispositivo. El magnetismo observado surgió de la naturaleza bidimensional de las bandas de grafeno. Serlin y col. alineó técnicamente el dispositivo con una de las capas de hBN y, en función de las observaciones, predijo que las muestras alineadas con hBN constituirían una clase diferente de dispositivos tBLG con fenomenología distinta.
A medida que aumentaba la temperatura del sistema, los científicos observaron una desviación de la cuantificación de la resistencia y la supresión de la histéresis con el efecto Hall para demostrar un comportamiento lineal en el campo a 12 K. Observaron una histéresis finita hasta temperaturas de 8 K. coherente con la temperatura de Curie (T C =7,5 K). Después de eso, para evaluar cuantitativamente las escalas de energía asociadas con los estados QAH, el equipo midió la energía de activación a una temperatura más baja. Notaron que la energía de activación era varias veces mayor que T C , en contraste con las películas aislantes dopadas magnéticamente donde los huecos de activación eran típicamente de 10 a 50 veces más pequeños que T C.
Conmutación magnética controlada por corriente. (A) Rxy en función de la corriente CC aplicada, mostrando histéresis en función de la corriente continua análoga a la respuesta a un campo magnético aplicado a 6,5 K. Recuadros:ilustraciones esquemáticas del magnetismo orbital controlado por corriente. (B) Escritura y lectura eléctrica no volátil de un bit magnético en T =6,5 K y B =0. Una sucesión de pulsos de corriente de 20 nA de signos alternos invierte de forma controlable la magnetización, que se lee usando la resistencia Hall. El estado de magnetización del bit es estable durante al menos 103 s (29). (C) Rxy en función de la corriente de polarización de CC y del campo magnético a 7 K. Las direcciones opuestas de la corriente de CC estabilizan preferentemente los estados de magnetización opuestos del bit. Las mediciones presentadas en (A a C) no están simétrizadas en campo ni en Onsager, por lo que hay un desplazamiento en Rxy. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aay5533
Dado que los dominios ferromagnéticos en tBLG pueden interactuar fuertemente con la corriente aplicada para permitir un control determinista dentro del dispositivo para la polarización del dominio con corrientes de CC excepcionalmente pequeñas. En el presente trabajo, las corrientes de CC aplicadas condujeron una conmutación similar a la observada en un campo magnético aplicado, para producir un cambio histerético entre estados de magnetización. Serlin y col. también obtuvo escritura eléctrica determinista no volátil y lectura de un bit magnético usando una sucesión de pulsos de corriente de 20 nA para revertir de manera controlable la magnetización, seguido de una lectura utilizando el gran cambio resultante en la resistencia Hall. La magnitud absoluta de la corriente requerida para cambiar el estado de magnetización del sistema se aproximó a 10 -9 A, considerablemente más pequeño que el reportado en cualquier sistema anterior.
Según los resultados, el equipo propuso un mecanismo simple para explicar la conmutación de baja corriente observada que surgió de la interacción de la física del estado del borde y la asimetría del dispositivo. Respectivamente, en un sistema QAH (Hall anómalo cuántico), una corriente aplicada puede generar una diferencia de potencial químico entre los modos unidimensionales quirales ubicados en los bordes opuestos de la muestra. Cuando los bordes tienen diferentes longitudes o velocidades, la corriente favoreció uno de los dos dominios donde se determinó el signo y la magnitud del efecto de acuerdo con la simetría del dispositivo. De este modo, M. Serlin y sus colegas señalaron que el efecto observado es genérico para todos los sistemas QAH y es probable que sea dominante a bajas corrientes en tBLG debido a la fijación débil de los dominios magnéticos y las pequeñas dimensiones del dispositivo. El trabajo proporciona un parámetro de ingeniería para el control eléctrico de la estructura del dominio, que se puede codificar de forma determinista en la geometría del dispositivo.
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