Fase ferromagnética spin-polarizada en grafeno en dieléctrico de alto k. (A) En la fase ferromagnética del grafeno de carga neutra, el estado de simetría rota del nivel de Landau zeroth medio lleno está polarizado por giro y ocupa ambas subredes de la celosía alveolar, como se muestra en el recuadro. La dispersión de los bordes resulta de combinaciones lineales de los estados de isospín general, que se dispersan como ramas similares a electrones y huecos, produciendo un par de contrapropagativos, Canales de borde helicoidales filtrados por giro con neutralidad de carga. Las flechas rojas y azules representan la polarización de espín de los subniveles. (B) Esquema de una celosía de grafeno con canales de borde helicoidales que se propagan en el borde del sillón cristalográfico. (C) Esquema del dispositivo de grafeno encapsulado en hBN colocado sobre un sustrato de SrTiO3 que sirve tanto como un entorno de alta constante dieléctrica como un dieléctrico de puerta trasera. Debido a la considerable constante dieléctrica (er ~ 10, 000) del sustrato SrTiO3 a baja temperatura y el espaciador hBN ultrafino (de 2 a 5 nm de espesor), La interacción de Coulomb en el plano del grafeno se filtra sustancialmente, resultando en una modificación del estado fundamental de Hall cuántico en la neutralidad de carga y la aparición de la fase ferromagnética con transporte de borde helicoidal. La vista ampliada muestra capas atómicas del ensamblaje de van der Waals de grafeno encapsulado en hBN y la estructura atómica superficial de SrTiO3. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax8201
Los materiales que presentan fases topológicas se pueden clasificar por su dimensionalidad, simetrías e invariantes topológicos para formar estados de borde conductor con propiedades peculiares de transporte y espín. Por ejemplo, el efecto Hall cuántico puede surgir en sistemas de electrones bidimensionales (2-D) sometidos a un campo magnético perpendicular. Cuando se comparan las distintas características de los sistemas de Hall cuánticos con aislantes topológicos (TI) simétricos (entropía conservada) de inversión de tiempo, parecen depender de las interacciones de Coulomb entre electrones para inducir una gran cantidad de fases proyectadas topológicamente o por simetría en una variedad de sistemas experimentales.
En un nuevo informe ahora en Ciencias , Louis Veyrat y un equipo de investigación en ciencia de materiales, óptica cuántica y optoelectrónica en Francia, China y Japón ajustaron el estado fundamental del nivel de Landau cero del grafeno, es decir, los orbitales ocupados por partículas cargadas con valores de energía discretos. Utilizando un cribado adecuado de la interacción de Coulomb con la alta constante dieléctrica de un titanato de estroncio (SrTiO 3 ) sustrato, observaron un transporte de borde helicoidal robusto en campos magnéticos tan bajos como 1 Tesla, soportando temperaturas de hasta 110 kelvin a través de distancias micrométricas. Estas versátiles plataformas de grafeno tendrán aplicaciones en espintrónica y computación cuántica topológica.
Aisladores topológicos (TI), es decir., un material que se comporta como aislante en su interior pero conserva un estado superficial conductor, con cero número de Chern han surgido como aislantes topológicos de Hall cuántico (QHTI) que surgen de niveles de Landau que interactúan con muchos cuerpos. Pueden representarse como dos copias independientes de sistemas de Hall cuánticos con quiralidad opuesta, pero el sistema experimental está en desacuerdo con el escenario descrito, donde se observa un fuerte estado de aislamiento al aumentar el campo magnético perpendicular en carga neutra, dispositivos de grafeno de alta movilidad.
Dispositivos de grafeno. Imágenes ópticas de diversas muestras. Las líneas rojas subrayan los bordes de las escamas de grafeno encapsuladas con hBN. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aax8201
Por lo tanto, la formación experimental de la fase ferromagnética (F) (fase F) en el grafeno se ve potencialmente obstaculizada por tales interacciones electrón-electrón y electrón-fonón a escala reticular. Para superar esto, Los científicos habían aplicado previamente un componente de campo magnético en el plano muy fuerte superior a 30 Tesla para superar las interacciones anisotrópicas. permitiendo que la fase F emerja experimentalmente en el grafeno. En otra estrategia, utilizaron bicapas de grafeno que albergan dos estados de Hall cuánticos diferentes de tipos de portadores de carga opuestos, pero adolecían de un campo magnético inclinado e impracticable o de la complejidad del ensamblaje de los materiales. Como resultado, en este trabajo Veyrat et al. utilizó un enfoque diferente para inducir la fase F en grafeno monocapa. En lugar de aumentar la energía Zeeman o el efecto Zeeman, es decir, dividir una línea espectral utilizando un campo magnético para superar las interacciones anisotrópicas, modificaron las interacciones de escala de celosía en relación con las interacciones de Coulomb para restaurar el papel dominante de los términos de polarización de espín e inducir la fase F.
Efecto Hall de espín cuántico de bajo campo magnético. (A) Resistencia de dos terminales R2t en unidades de h / e2 de la muestra BNGrSTO-07 versus campo magnético y voltaje de puerta trasera medidos a 4 K. Además de las mesetas de Hall cuánticas estándar en las fracciones de llenado n =1 y 2, la resistencia exhibe una meseta anómala alrededor del punto de neutralidad de carga entre B =1.5 y 4 T, delimitado por las líneas punteadas negras y la flecha de dos puntas, que señala el régimen del efecto QSH en esta muestra. El valor de la resistencia en esta meseta es h / e2 y tiene un código de color blanco. El esquema insertado indica la configuración de los contactos. Los contactos negros están flotando. Las flechas rojas y azules en los canales del borde helicoidal indican la dirección de la corriente entre los contactos, y A indica el amperímetro. (B) Conductancia de dos terminales G2t =1 / R2t en unidades de e2 / h versus voltaje de puerta trasera extraído de (A) en diferentes campos magnéticos. Las primeras mesetas de conductancia del efecto Hall cuántico a 2e2 / hy 6e2 / h están bien definidas. La meseta de conductancia QSH e2 / h emerge claramente con neutralidad de carga alrededor de Vbg =0 V. (C) Resistencia en el punto de neutralidad de carga (CNP) versus campo magnético para la muestra BNGrSTO-07 (puntos rojos) extraídos de (A) y muestra BNGrSTO-09 (puntos azules). La última muestra tiene un espaciador de hBN grueso y exhibe una fuerte magnetorresistencia positiva a un campo magnético bajo que diverge hacia el aislamiento; la muestra con el espaciador delgado de hBN (BNGrSTO-07) muestra una meseta de QSH que persiste hasta ~ 4 T, seguido de un aumento de la resistencia a un campo magnético más alto. W, ohmios. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aax8201
Para esto, utilizaron titanato de estroncio paraeléctrico cuántico (SrTiO 3 ), conocido por exhibir una gran constante dieléctrica estática (D≈10 4 ) a bajas temperaturas. La configuración finalmente modificó el estado fundamental del grafeno con neutralidad de carga. Veyrat y col. logró esto mediante la ingeniería de heteroestructuras de grafeno de alta movilidad basadas en la encapsulación hexagonal de nitruro de boro (hBN) y observó fácilmente la aparición de la fase F en una configuración apantallada. Al cambiar la fuente de electrones y los contactos de drenaje (flujo de electrones) en la configuración, y el número de secciones de borde helicoidales, observaron transporte de borde helicoidal. Veyrat y col. también observaron mediciones simultáneas de resistencias de dos terminales y resistencia no local mientras se mantienen los mismos contactos de inyección de corriente de fuente y drenaje para demostrar el flujo de corriente en los bordes de la muestra.
Transporte de borde helicoidal no local. (A) Resistencia de dos terminales versus voltaje de puerta trasera medido a 2.5 T y 4 K para diferentes configuraciones de contacto esquematizadas en (B). El recuadro muestra una imagen óptica de la muestra medida BNGrSTO-07. La barra de escala es de 4 mm. Cada configuración de contacto produce una resistencia con neutralidad de carga que alcanza los valores esperados para el transporte del borde helicoidal, que se indican con líneas discontinuas horizontales. (B) Esquemas de las configuraciones de medición. Los contactos negros están flotando. Las flechas roja y azul en los canales del borde helicoidal indican la dirección de la corriente entre los contactos. (C) Resistencia de dos terminales, R2t, en azul y no local, resistencia de cuatro terminales, RNL, en rojo versus voltaje de puerta trasera en la configuración de contacto que se muestra en el esquema de inserción. En el esquema, V indica el voltímetro. (D) Resistencia en el CNP, Vbg =0 V, en la misma configuración de contacto que en (C) versus campo magnético. La meseta helicoidal se observa para resistencias de dos y cuatro terminales entre 1 T y aproximadamente 6 T. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aax8201
Para investigar la robustez del transporte de borde helicoidal, el equipo llevó a cabo estudios sistemáticos de su temperatura y la dependencia del campo magnético. El SrTiO 3 La constante dieléctrica se mantuvo lo suficientemente alta hasta 200 K, y el cribado dieléctrico prácticamente no se vio afectado. Para comprender el límite del transporte de borde helicoidal cuantizado, El equipo midió diferentes configuraciones de contacto en varios campos magnéticos y valores de temperatura para mostrar que el transporte de borde helicoidal cuantificado podría soportar temperaturas muy altas de hasta 110 K.
Luego, el equipo demostró el papel clave de SrTiO 3 sustrato dieléctrico durante el establecimiento de la fase F. Debido a las interacciones electrón-electrón sustancialmente reducidas en una medición de alta constante dieléctrica, la fase F emergió como un estado fundamental en los experimentos de control. Veyrat y col. investigó más a fondo los efectos de detección y las contribuciones de escala de celosía de corto alcance de las interacciones de Coulomb y electrón-fonón para determinar el estado fundamental energéticamente favorable. Los mecanismos observados abrirán nuevas e interesantes perspectivas. Por ejemplo, la escala de energía de Coulomb podría mejorarse aumentando el campo magnético para inducir una transición de fase cuántica topológica de la fase ferromagnética QHTI (aisladores topológicos de Hall cuántico) a una fase aislante, estado fundamental de Hall cuántico trivial:un tipo de transición hasta ahora poco abordado.
Diagrama de fases del transporte del borde helicoidal. (A) Resistencia de dos terminales de la muestra BNGrSTO-07 versus voltaje de puerta trasera medido a varias temperaturas y un campo magnético de 4 T. El voltaje de puerta trasera se renormaliza para compensar la dependencia de la temperatura de la constante dieléctrica del sustrato. (B) Resistencia de dos terminales en el CNP para los mismos datos que en (A). El recuadro muestra la configuración de contacto utilizada en (A) y (B). (C) Resistencia de dos terminales en el CNP versus campo magnético y temperatura para una configuración de contacto diferente que se muestra en el recuadro. La resistencia muestra una meseta en el valor esperado para el transporte del borde helicoidal (2 3 h e2, código de color amarillo claro) en una amplia gama de temperaturas y campos magnéticos, es decir, hasta T =110 K en B =5 T. Las estrellas indican los parámetros en los que se ha verificado el transporte del borde helicoidal midiendo diferentes configuraciones de contacto. (Las estrellas verdes indican transporte de borde helicoidal cuantificado, y las estrellas rojas indican la desviación de la cuantificación en el CNP.) La curva punteada es una guía para el ojo que muestra los límites aproximados del transporte de borde helicoidal cuantificado de la fase F. (D) Esquema de la dispersión del borde de los estados de simetría rota del nivel cero de Landau que muestra la apertura de un espacio en el borde. (E) Energía de activación en el punto de neutralidad de carga versus campo magnético medido en las muestras BNGrSTOVH-02 (puntos rojos) y BNGrSTO-09 (puntos azules), que tienen espaciadores de hBN de 5 y 61 nm, respectivamente. Las líneas punteadas son un ajuste lineal para BNGrSTOVH-02 y un ajuste de la dependencia para BNGrSTO-09. El prefactor α =64 KT − 1/2 corresponde a una brecha libre de desorden, y la intersección describe la ampliación del desorden de los niveles de Landau, lo cual es consistente con la movilidad de la muestra. Crédito:Ciencia, doi:10.1126 / science.aax8201
De este modo, Louis Veyrat y sus colegas demostraron la fase ferromagnética (F) en el grafeno proyectado. La configuración surgió en campos magnéticos bajos como una fase topológica inducida por interacción prototípica con transporte de borde helicoidal robusto. Las excitaciones de los bordes se podían sintonizar con campos magnéticos para estudiar los modos de energía cero en arquitecturas próximas a la superconductividad. El método de ingeniería de cribado del sustrato se pudo ajustar debido al grosor del espaciador de hBN utilizado en el estudio. Por lo tanto, el equipo espera que los estados fundamentales y las propiedades optoelectrónicas de otros sistemas 2-D correlacionados estén tan fuertemente influenciados por su entorno dieléctrico.
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