O dispositivo tBLG. (A) Micrografia óptica do dispositivo. A barra de escala corresponde a 10 µm. (B) Esquema de uma heteroestrutura tBLG. tBLG é encapsulado entre flocos de hBN, com um floco de grafite de poucas camadas usado como portão. (C) Imagem ótica da pilha. A borda cristalina do hBN superior e a camada superior de tBLG estão alinhadas com um deslocamento angular de 30 graus nos planos de clivagem marcados. (D) Imagem ótica da pilha antes da gravação, mostrando a camada superior do tBLG (linha tracejada vermelha), camada inferior do tBLG (linha tracejada branca), e o portão inferior (linha sólida verde). Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aay5533
O efeito Hall anômalo quântico (QAH) pode combinar topologia e magnetismo para produzir resistência Hall precisamente quantizada em campo magnético zero (um ambiente cuidadosamente selecionado de campos magnéticos). Em um relatório recente sobre Ciência , M. Serlin e uma equipe de pesquisa interdisciplinar do Departamento de Física, O National Institute of Materials Science e o Kavli Institute for Theoretical Physics nos EUA e no Japão detalharam a observação de um efeito QAH no grafeno de dupla camada torcida alinhado ao nitreto de boro hexagonal. Eles impulsionaram o efeito por meio de fortes interações intrínsecas, que polarizou os elétrons em um único spin e vale resolvido minibanda moiré (padrão de interferência).
Quando um campo magnético é aplicado em ângulos retos ao fluxo de corrente em uma película fina, um campo elétrico conhecido como efeito Hall pode ser gerado mutuamente perpendicular à corrente e ao campo magnético. Um efeito Hall anômalo requer polarização magnética combinada e acoplamento spin-órbita na ausência de um campo magnético externo (daí a anomalia). Quando o efeito Hall anômalo é quantizado, é conhecido como efeito Hall anômalo quântico. Em contraste com os sistemas dopados magneticamente, o mapa de energia de transporte medido por Serlin et al. era maior do que a temperatura de Curie para ordenação magnética. Correntes elétricas tão pequenas quanto 1 nA podem comutar controladamente a ordem magnética entre estados de polarização oposta para formar uma memória magnética eletricamente regravável.
Físicos e cientistas de materiais podem classificar isoladores bidimensionais usando a topologia de suas faixas de energia preenchidas. Na ausência de simetria de reversão de tempo (conservação de entropia), topologia de banda não trivial pode se manifestar experimentalmente como condutividade Hall quantizada. Os pesquisadores são motivados por questões fundamentais sobre a natureza das transições de fase topológicas e suas possíveis aplicações em metrologia de resistência e em computação quântica topológica. Eles têm dedicado esforços significativos para projetar efeitos Hall anômalos quantizados com resistência quantizada protegida topologicamente na ausência de um campo magnético aplicado. Os cientistas só até agora observaram os efeitos do QAH em uma classe restrita de materiais contendo materiais de transição dopados. Os momentos magnéticos dopantes nestes materiais quebraram a simetria de reversão do tempo, combinado com as estruturas eletrônicas fortemente spin-órbita acopladas para produzir bandas de Chern topologicamente não triviais (bandas de energia).
Efeito Hall anômalo quantizado em grafeno de camada dupla torcida a 1,6 K. (A) Resistência longitudinal Rxx e resistência Hall Rxy como uma função da densidade de portador n em 150 mT. Rxy atinge h / e2 e Rxx se aproxima de zero perto de ν =3. Os dados são corrigidos para a mistura de componentes Rxx e Rxy por simetrização em relação ao campo magnético em B =± 150 mT. (B) Resistência longitudinal Rxx e resistência Hall Rxy medida em n =2,37 × 10 ^ 12 cm − 2 como uma função de B. Os dados são corrigidos para mistura usando simetrização de contato. As direções de varredura são indicadas por setas. (C) Resistência Hall Rxy em função do campo magnético B e densidade n. As áreas do loop de histerese estão sombreadas para maior clareza. A parede posterior mostra valores simetrizados de treinamento de campo de Rxy em B =0. Rxy (0) torna-se diferente de zero quando o ferromagnetismo aparece e atinge um platô de h / e2 próximo a uma densidade de n =2,37 × 10 ^ 12 cm − 2. (D) Estrutura de banda esquemática no preenchimento total de uma célula unitária de moiré (ν =4) e ν =3. O número Chern líquido Cnet ≠ 0 em ν =3. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aay5533.
O desempenho desses materiais é, Contudo, limitado pela distribuição não homogênea de dopantes magnéticos (aditivos), levando a estrutural, carga e desordem magnética em microescala. A quantização resultante, portanto, ocorre em temperaturas que são aproximadamente uma ordem de magnitude menor do que a temperatura de ordenação magnética. Para projetar efeitos Hall anômalos quânticos intrínsecos, as heteroestruturas de moiré grafeno fornecem dois ingredientes essenciais; bandas topológicas e correlações fortes. Por exemplo, em nitreto de boro hexagonal (hBN) e grafeno multicamada torcido, padrões moiré genericamente produzem bandas com número de Chern finito, onde a simetria de reversão de tempo da estrutura de banda de partícula única pode ser reforçada cancelando os números de Chern em vales opostos de grafeno. Por exemplo, em heteroestruturas específicas, como grafeno bicamada torcida (tBLG) com um ângulo de torção intercamada e grafeno romboédrico alinhado a hBN, a largura de banda das bandas de Chern pode ser excepcionalmente pequena. Os cientistas demonstraram estados de histerese magnética (desvio do valor teórico) em relação à quebra de simetria de reversão do tempo em heteroestruturas tBLG e hBN para mostrar grandes efeitos Hall anômalos.
No presente trabalho, Serlin et al. observaram um efeito QAH (Hall anômalo quântico) mostrando uma quantização de campo magnético robusta em uma amostra de banda plana tBLG (grafeno bicamada torcida) alinhada com hBN (nitreto de boro hexagonal). Eles descreveram a estrutura eletrônica do tBLG de banda plana via duas bandas distintas por spin e projeção de vale isoladas de bandas dispersivas de alta energia por um gap de energia. As bandas planas tinham uma capacidade total de oito elétrons por célula unitária, a equipe de pesquisa definiu o fator de preenchimento da banda como ν =nA m , onde n é igual à densidade de elétrons e A m igualou uma área de 130 nm 2 dentro da célula unitária moiré.
Dependência da temperatura do efeito Hall anômalo quântico. (A) Rxy e (B) Rxx como uma função de B medido em várias temperaturas para n =2,37 × 1012 cm − 2. A mistura de Rxx e Rxy foi corrigida usando simetrização de contato. (C) Dependência da temperatura da resistência simetrizada de treinamento de campo xy R em B =0, conforme descrito no texto principal. A temperatura de Curie foi determinada como sendo TC ≈ 7,5 (0,5) K usando uma análise de gráfico de Arrott. Detalhe:dependência de baixa temperatura detalhada do desvio de xy R do valor quantizado em B =0. Barras de erro são o erro padrão derivado de 11 medições consecutivas. xy R satura abaixo de ≈3 K para um valor determinado pela média dos pontos entre 2 e 2,7 K. (D) Gráficos de Arrhenius de resistências simetrizadas de treinamento de campo em B =0. As linhas pontilhadas denotam ajustes de ativação representativos. O tratamento sistemático da incerteza decorrente da ausência de um único regime ativado dá Δ =31 ± 11 K e 26 ± 4 K. Crédito:Science, doi:10.1126 / science.aay5533
A equipe registrou a resistência longitudinal e Hall em um campo magnético (B) de 150 mT e temperatura (T) de 1,6 K, em função da densidade de carga em toda a banda plana. Eles observaram que a resistividade de Hall é histérica (atrasada em resposta às mudanças nas condições) e os resultados mostraram um estado de QAH estabilizado por simetria de reversão de tempo espontaneamente quebrada. Os cientistas apenas observaram a resposta quantizada para uma escolha particular de contatos em um compartimento específico do dispositivo. O magnetismo observado surgiu da natureza 2-D das bandas de grafeno. Serlin et al. alinhou tecnicamente o dispositivo a uma das camadas hBN e com base nas observações, previu que as amostras alinhadas com hBN constituem uma classe diferente de dispositivos tBLG com fenomenologia distinta.
Conforme a temperatura do sistema aumentou, os cientistas observaram um afastamento da quantização da resistência e supressão da histerese com o efeito Hall para demonstrar o comportamento linear no campo a 12 K. Eles observaram histerese finita até temperaturas de 8 K, consistente com a temperatura Curie (T C =7,5 K). Depois disso, para avaliar quantitativamente as escalas de energia associadas aos estados de QAH, a equipe mediu a energia de ativação em uma temperatura mais baixa. Eles notaram que a energia de ativação é várias vezes maior do que T C , em contraste com as películas isolantes dopadas magneticamente, onde as lacunas de ativação eram tipicamente 10 a 50 vezes menores do que T C.
Comutação magnética controlada por corrente. (A) Rxy em função da corrente DC aplicada, mostrando histerese como uma função de corrente DC análoga à resposta a um campo magnético aplicado a 6,5 K. Insets:ilustrações esquemáticas de magnetismo orbital controlado por corrente. (B) Escrita elétrica não volátil e leitura de um bit magnético em T =6,5 K e B =0. Uma sucessão de pulsos de corrente de 20 nA de sinais alternados reverte controladamente a magnetização, que é lido usando a resistência Hall. O estado de magnetização da broca é estável por pelo menos 103 s (29). (C) Rxy como uma função da corrente de polarização DC e do campo magnético a 7 K. As direções opostas da corrente DC estabilizam preferencialmente os estados de magnetização opostos da broca. As medições apresentadas em (A a C) não são nem campo nem Onsager simetrizadas, razão pela qual há um deslocamento em Rxy. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aay5533
Uma vez que os domínios ferromagnéticos em tBLG podem interagir fortemente com a corrente aplicada para permitir o controle determinístico dentro do dispositivo para polarização de domínio com correntes DC excepcionalmente pequenas. No presente trabalho, as correntes DC aplicadas conduziram a comutação semelhante à observada em um campo magnético aplicado, para produzir comutação histérica entre os estados de magnetização. Serlin et al. também obteve escrita elétrica não volátil determinística e leitura de um bit magnético usando uma sucessão de pulsos de corrente de 20 nA para reverter controladamente a magnetização, seguido por uma leitura usando a grande mudança resultante na resistência de Hall. A magnitude absoluta da corrente necessária para mudar o estado de magnetização do sistema é de aproximadamente 10 -9 UMA, consideravelmente menor do que o relatado em qualquer sistema anterior.
Com base nos resultados, a equipe propôs um mecanismo simples para explicar a comutação de baixa corrente observada que surgiu da interação da física do estado de borda e da assimetria do dispositivo. De acordo, em um sistema QAH (Hall anômalo quântico), uma corrente aplicada pode gerar uma diferença de potencial químico entre os modos unidimensionais quirais localizados em bordas de amostra opostas. Quando as arestas têm comprimentos ou velocidades diferentes, a corrente favoreceu um dos dois domínios onde o sinal e a magnitude do efeito foram determinados de acordo com a simetria do dispositivo. Desta maneira, M. Serlin e colegas observaram que o efeito observado é genérico para todos os sistemas QAH e provavelmente dominante em correntes baixas em tBLG devido à pinagem fraca de domínios magnéticos e pequenas dimensões do dispositivo. O trabalho fornece um parâmetro de engenharia para o controle elétrico da estrutura de domínio, que pode ser codificado deterministicamente na geometria do dispositivo.
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