p Fase ferromagnética spin-polarizada em grafeno em dielétrico high-k. (A) Na fase ferromagnética do grafeno de carga neutra, o estado de simetria quebrada do nível zeroth Landau parcialmente preenchido é polarizado por spin e ocupa ambas as sub-redes da rede em favo de mel, conforme mostrado na inserção. A dispersão de borda resulta de combinações lineares dos estados isospin em massa, que se dispersam como ramificações semelhantes a elétrons e orifícios, produzindo um par de contra-propagativo, canais de borda helicoidal com filtro de rotação e neutralidade de carga. As setas vermelhas e azuis representam a polarização do spin dos subníveis. (B) Esquema de uma rede de grafeno com canais de borda helicoidal propagando-se na borda da poltrona cristalográfica. (C) Esquema do dispositivo de grafeno encapsulado em hBN colocado em um substrato SrTiO3 que serve tanto como um ambiente de alta constante dielétrica quanto um dielétrico de porta traseira. Devido à constante dielétrica considerável (er ~ 10, 000) do substrato SrTiO3 em baixa temperatura e o espaçador hBN ultrafino (2 a 5 nm de espessura), A interação de Coulomb no plano do grafeno é substancialmente rastreada, resultando em uma modificação do estado fundamental de Hall quântico na neutralidade de carga e o surgimento da fase ferromagnética com transporte de borda helicoidal. A visão ampliada mostra as camadas atômicas do conjunto de van der Waals de grafeno encapsulado em hBN e a estrutura atômica da superfície de SrTiO3. Crédito: Ciência , doi:10.1126 / science.aax8201
p Materiais que apresentam fases topológicas podem ser classificados por sua dimensionalidade, simetrias e invariantes topológicos para formar estados de borda condutiva com propriedades peculiares de transporte e spin. Por exemplo, o efeito Hall quântico pode surgir em sistemas de elétrons bidimensionais (2-D) sujeitos a um campo magnético perpendicular. Quando as características distintas dos sistemas Hall quânticos são comparadas com isoladores topológicos (TIs) simétricos com inversão de tempo (entropia conservada), eles parecem confiar nas interações de Coulomb entre os elétrons para induzir uma riqueza de fortemente correlacionados, fases projetadas topologicamente ou simetria em uma variedade de sistemas experimentais. p Em um novo relatório agora em
Ciência , Louis Veyrat e uma equipe de pesquisa em ciência dos materiais, óptica quântica e optoeletrônica na França, China e Japão ajustaram o estado fundamental do nível de grafeno zero Landau, ou seja, orbitais ocupados por partículas carregadas com valores de energia discretos. Usando a triagem adequada da interação de Coulomb com a alta constante dielétrica de um titanato de estrôncio (SrTiO
3 ) substrato, eles observaram um transporte robusto de borda helicoidal em campos magnéticos tão baixos quanto 1 Tesla, resistir a temperaturas de até 110 kelvin em distâncias de mícron de comprimento. Essas plataformas versáteis de grafeno terão aplicações em spintrônica e computação quântica topológica.
p Isoladores topológicos (TIs), ou seja, um material que se comporta como um isolante em seu interior, mas mantém um estado de superfície condutora, com número de Chern zero surgiram como isoladores topológicos quânticos Hall (QHTIs) surgindo de níveis de Landau que interagem com muitos corpos. Eles podem ser retratados como duas cópias independentes de sistemas Hall quânticos com quiralidade oposta, mas o sistema experimental está em desacordo com o cenário descrito, onde um forte estado de isolamento é observado ao aumentar o campo magnético perpendicular em carga neutra, dispositivos de grafeno de alta mobilidade.
p Dispositivos de grafeno. Imagens ópticas de diversas amostras. As linhas vermelhas sublinham as bordas dos flocos de grafeno encapsulados em hBN. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aax8201
p A formação experimental da fase ferromagnética (F) (fase F) no grafeno é, portanto, potencialmente prejudicada por tais interações elétron-elétron e elétron-fônon em escala de rede. Para superar isso, os cientistas já haviam aplicado um componente de campo magnético no plano muito forte, superior a 30 Tesla, para superar as interações anisotrópicas, permitindo que a fase F surja experimentalmente no grafeno. Em outra estratégia, eles usaram bicamadas de grafeno hospedando dois estados Hall quânticos diferentes de tipos opostos de portadores de carga, mas eles sofriam de um campo magnético inclinado e impraticávelmente forte ou da complexidade da montagem de materiais. Como resultado, neste trabalho Veyrat et al. usou uma abordagem diferente para induzir a fase F em grafeno monocamada. Em vez de aumentar a energia Zeeman ou o efeito Zeeman, ou seja, dividir uma linha espectral usando um campo magnético para superar as interações anisotrópicas, eles modificaram as interações em escala de rede em relação às interações de Coulomb para restaurar o papel dominante dos termos de polarização de spin e induzir a fase F.
p Efeito Hall de spin quântico de baixo campo magnético. (A) Resistência de dois terminais R2t em unidades de h / e2 da amostra BNGrSTO-07 versus campo magnético e tensão de porta traseira medida a 4 K. Além dos platôs quânticos padrão Hall nas frações de preenchimento n =1 e 2, a resistência exibe um platô anômalo em torno do ponto de neutralidade de carga entre B =1,5 e 4 T, delimitado pelas linhas tracejadas pretas e a seta dupla, que sinaliza o regime do efeito QSH nesta amostra. O valor da resistência neste platô é h / e2 e é codificado pela cor branca. O esquema inserido indica a configuração do contato. Contatos pretos estão flutuando. As setas vermelha e azul nos canais de borda helicoidal indicam a direção da corrente entre os contatos, e A indica o amperímetro. (B) Condutância de dois terminais G2t =1 / R2t em unidades de e2 / h versus voltagem back-gate extraída de (A) em diferentes campos magnéticos. Os primeiros platôs de condutância do efeito Hall quântico em 2e2 / he 6e2 / h estão bem definidos. O platô QSH de condutância e2 / h emerge claramente na neutralidade de carga em torno de Vbg =0 V. (C) Resistência no ponto de neutralidade de carga (CNP) versus campo magnético para a amostra BNGrSTO-07 (pontos vermelhos) extraída de (A) e amostra BNGrSTO-09 (pontos azuis). A última amostra tem um espaçador hBN espesso e exibe uma forte magnetorresistência positiva em baixo campo magnético divergindo em direção ao isolamento; a amostra com o espaçador hBN fino (BNGrSTO-07) mostra um platô QSH que persiste até ~ 4 T, seguido por um aumento da resistência no campo magnético superior. C, ohms. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aax8201
p Por esta, eles usaram titanato de estrôncio paraelétrico quântico (SrTiO
3 ), conhecido por exibir uma grande constante dielétrica estática (D≈10
4
) em baixas temperaturas. A configuração acabou modificando o estado fundamental do grafeno na neutralidade de carga. Veyrat et al. conseguiu isso projetando heteroestruturas de grafeno de alta mobilidade com base no encapsulamento de nitreto de boro hexagonal (hBN) e observou prontamente o surgimento da fase F em uma configuração selecionada. Ao alterar a fonte de elétrons e drenar (fluxo de elétrons) os contatos na configuração, e o número de seções de aresta helicoidal, eles observaram o transporte da borda helicoidal. Veyrat et al. também observaram medições simultâneas de resistências de dois terminais e resistência não local, mantendo os mesmos contatos de injeção de corrente de fonte e dreno para demonstrar o fluxo de corrente nas bordas da amostra.
p Transporte de borda helicoidal não local. (A) Resistência de dois terminais versus tensão de porta traseira medida em 2,5 T e 4 K para diferentes configurações de contato esquematizadas em (B). A inserção mostra uma imagem ótica da amostra medida BNGrSTO-07. A barra de escala é de 4 mm. Cada configuração de contato produz uma resistência na neutralidade de carga atingindo os valores esperados para o transporte de borda helicoidal, que são indicados com as linhas tracejadas horizontais. (B) Esquemas das configurações de medição. Contatos pretos estão flutuando. As setas vermelha e azul nos canais de borda helicoidal indicam a direção da corrente entre os contatos. (C) Resistência de dois terminais, R2t, em azul e não local, resistência de quatro terminais, RNL, em vermelho versus tensão de porta traseira na configuração de contato mostrada no esquema inserido. No esquema, V indica o voltímetro. (D) Resistência no CNP, Vbg =0 V, na mesma configuração de contato que em (C) versus campo magnético. O platô helicoidal é observado para resistências de dois e quatro terminais entre 1 T e cerca de 6 T. Crédito:Science, doi:10.1126 / science.aax8201
p Para investigar a robustez do transporte de borda helicoidal, a equipe conduziu estudos sistemáticos de sua dependência da temperatura e do campo magnético. O SrTiO
3 constante dielétrica permaneceu alta o suficiente até 200 K, e a blindagem dielétrica permaneceu virtualmente inalterada. Para entender o limite do transporte de borda helicoidal quantizado, a equipe mediu diferentes configurações de contato em diversos campos magnéticos e valores de temperatura para mostrar que o transporte de borda helicoidal quantizada poderia suportar temperaturas muito altas de até 110 K.
p A equipe então demonstrou o papel fundamental do SrTiO
3 substrato dielétrico durante o estabelecimento da fase F. Devido às interações elétron-elétron substancialmente reduzidas em uma medição de alta constante dielétrica, a fase F emergiu como um estado fundamental nos experimentos de controle. Veyrat et al. investigou ainda mais os efeitos de triagem e as contribuições da escala de rede de curto alcance das interações de Coulomb e elétron-fônon para determinar o estado fundamental energeticamente favorável. Os mecanismos observados abrirão novas perspectivas interessantes. Por exemplo, a escala de energia de Coulomb poderia ser aumentada aumentando o campo magnético para induzir uma transição de fase quântica topológica da fase ferromagnética QHTI (isoladores topológicos quânticos Hall) para um isolante, estado fundamental de Hall quântico trivial - um tipo de transição até então pouco abordado.
p Diagrama de fases do transporte da borda helicoidal. (A) Resistência de dois terminais da amostra BNGrSTO-07 versus tensão de porta traseira medida em várias temperaturas e um campo magnético de 4 T. A tensão de porta traseira é renormalizada para compensar a dependência da temperatura da constante dielétrica do substrato. (B) Resistência de dois terminais no CNP para os mesmos dados que em (A). A inserção mostra a configuração de contato usada em (A) e (B). (C) Resistência de dois terminais no CNP versus campo magnético e temperatura para uma configuração de contato diferente mostrada na inserção. A resistência mostra um platô no valor esperado para o transporte da borda helicoidal (2 3 h e2, código de cor amarelo claro) em uma grande variedade de temperaturas e campos magnéticos, isso é, até T =110 K em B =5 T. As estrelas indicam os parâmetros nos quais o transporte da borda helicoidal foi verificado medindo diferentes configurações de contato. (Estrelas verdes indicam transporte de borda helicoidal quantizado, e estrelas vermelhas indicam desvio para quantização no CNP.) A curva tracejada é um guia para o olho, mostrando os limites aproximados do transporte de borda helicoidal quantizada da fase F. (D) Esquema da dispersão da borda dos estados de simetria quebrada do nível zero de Landau mostrando a abertura de uma lacuna na borda. (E) Energia de ativação no ponto de neutralidade de carga versus campo magnético medido nas amostras BNGrSTOVH-02 (pontos vermelhos) e BNGrSTO-09 (pontos azuis), que têm espaçadores hBN de 5 e 61 nm, respectivamente. As linhas tracejadas são um ajuste linear para BNGrSTOVH-02 e um ajuste da dependência para BNGrSTO-09. O prefator α =64 KT − 1/2 corresponde a uma lacuna livre de desordem, e a interceptação descreve o alargamento da desordem dos níveis de Landau, o que é consistente com a mobilidade da amostra. Crédito:Ciência, doi:10.1126 / science.aax8201
p Desta maneira, Louis Veyrat e colegas demonstraram a fase ferromagnética (F) no grafeno filtrado. A configuração emergiu em campos magnéticos baixos como uma fase topológica induzida por interação prototípica com transporte de borda helicoidal robusto. As excitações de borda foram ajustáveis com campos magnéticos para estudar modos de energia zero em arquiteturas de supercondutividade próximas. O método de engenharia de seleção de substrato foi ajustável devido à espessura do espaçador hBN usado no estudo, the team therefore expect the ground states and optoelectronic properties of other correlated 2-D systems to be as strongly influenced by their dielectric environment. p © 2020 Science X Network
