Fase Heliks Kuantum Hall dalam Graphene pada Strontium Titanate

Fase Heliks Kuantum Hall dalam Graphene pada Strontium Titanate

Material yang menunjukkan fase topologis dapat diklasifikasikan berdasarkan dimensi, simetri, dan invarian topologisnya untuk membentuk keadaan tepi conductive-edge dengan sifat peculiar transport dan spin. Sebagai contoh, efek Hall kuantum dapat muncul dalam sistem elektron dua dimensi (2-D) yang terjadi pada medan magnet yang tegak lurus. Ketika karakteristik yang berbeda dari sistem Hall kuantum dibandingkan dengan time-reversal symmetric (konservasi entropi) isolator topologi (topology insulator) (TIs), material tersebut tampaknya bergantung pada interaksi Coulomb antara elektron untuk menginduksi fase yang berhubungan kuat, topologi dan atau simetri dalam berbagai variasi sistem eksperimen.

Fase Heliks Kuantum Hall dalam Graphene pada Strontium Titanate

Dalam makalah yang beru-baru saja terbit di Jurnal Science, Louis Veyrat beserta tim penelitinya dalam bidang ilmu material, kuantum optics dan optoelectronics di Perancis, Cina dan Jepang mengatur keadaan dasar level graphene zeroth Landau yaitu orbital yang ditempati oleh partikel bermuatan dengan nilai energi diskrit. Dengan menggunakan layar yang dapat terjadi interaksi Coulomb dengan besar konstanta dielektrik dari substrat strontium titanat (SrTiO3 ), mereka mengamati transportasi tepi heliks kuat di medan magnet sebesar 1 Tesla dengan mempertahankan suhu hingga 110 kelvin jarak melintasi jarak mikron. Platform graphene ini nantinya akan dapat diaplikasikan dalam spintronics dan perhitungan topologi kuantum.

Insulator topologi (TI), yaitu bahan yang berperilaku sebagai isolator di interiornya tetapi mempertahankan kondisi permukaan konduksi, dengan zero Chern Number telah muncul sebagai  isolator topologi kuantum Hall (quantum Hall topological insulators (QHTI)) yang timbul akibat interaksi pada level Landau tertentu. TI ini dapat digambarkan sebagai dua bagian independen dari sistem kuantum Hall dengan chirality yang berlawanan, tetapi sistem eksperimental bertentangan dengan peristiwa yang terjadi, di mana keadaan isolasi yang kuat diamati pada peningkatan medan magnet tegak lurus pada graphene muatan-netral, dan peningkatan mobilitasnya.


Formasi eksperimental dari fase feromagnetik (F) (fase-F) dalam graphene berpotensi terhalang oleh interaksi elektron-elektron dan elektron-fonon pada skala kisi. Untuk mengatasinya, para ilmuwan sebelumnya telah menerapkan komponen medan magnet dalam divais yang sangat kuat lebih tinggi dari 30 Tesla untuk melampaui interaksi anisotropik yang memungkinkan fase-F muncul secara eksperimental dalam graphene. Dalam strategi lain, mereka menggunakan bilayers graphenehosting pada dua keadaan Hall kuantum yang berbeda dari jenis pembawa muatan yang berlawanan, tetapi mereka kesulitan pada medan magnet miring atau kompleksitas perakitan bahan. Akibatnya, dalam karya ini Veyrat et al. menggunakan pendekatan yang berbeda untuk menginduksi fase-F dalam graphene monolayer. Alih-alih meningkatkan energi Zeeman atau efek Zeeman yaitu membelah garis spektral menggunakan medan magnet untuk mengatasi interaksi anisotropik, mereka memodifikasi interaksi skala kisi yang relatif terhadap interaksi Coulomb untuk mengembalikan peran dominan istilah polarisasi spin dan terinduksi pada tahap F.



Untuk ini, mereka menggunakan quantum paraelectric strontium titanat (SrTiO3 ), dikenal untuk menunjukkan besar statis konstanta dielektrik (D≈10 4 ) pada suhu rendah. Set up akhirnya yaitu dengan mengubah keadaan dasar graphene pada kondisi netralitasnya. Veyrat et al. menyelesaikan  rekayasa heterostruktur graphene mobilitas tinggi berdasarkan enkapsulasi heksagonal boron nitrida (hBN) sehingga mempermudah dalam mengamati munculnya fase-F dalam konfigurasi yang difilter. Dengan mengubah sumber elektron dan mengalirkan (aliran elektron) dan jumlah bagian tepi heliks, mereka mengamati transportasi tepi heliks. Veyrat et al. juga mengamati pengukuran simultan dari resistansi dua-terminal dan resistansi non-local sambil menjaga sumber yang sama dan mengalirkan kontak injeksi untuk menunjukkan aliran arus terdapat di tepi sampel.


Untuk menyelidiki ketahanan transportasi tepi heliks, tim melakukan studi sistematis tentang suhu dan ketergantungannya terhadap medan magnet. Konstanta dielektrik SrTiO3 yang cukup tinggi hingga 200 K, dan penyaringan dielektrik tetap tidak terpengaruh. Untuk memahami batas transpor tepi heliks yang dikuantisasi, tim mengukur konfigurasi kontak yang berbeda pada beberapa medan magnet dan nilai suhu untuk menunjukkan bahwa transpor tepi heliks yang dikuantisasi dapat bertahan pada suhu yang sangat tinggi hingga 110 K.

Tim kemudian menunjukkan peran kunci dari substrat SrTiO3 dielektrik selama pembentukan fase-F. Karena interaksi elektron-elektron berkurang secara substansial dalam pengukuran konstan dielektrik tinggi, fase-F muncul sebagai keadaan dasar dalam percobaan kontrol. Veyrat et al. selanjutnya menyelidiki efek penyaringan dan kontribusi skala kisi dari interaksi Coulomb dan elektron-fonon untuk menentukan keadaan dasar yang menguntungkan secara energi. Mekanisme yang diamati akan membuka perspektif baru yang menarik. Sebagai contoh, skala energi Coulomb dapat ditingkatkan dengan meningkatkan medan magnet untuk menginduksi transisi fase kuantum topologi dari fase feromagnetik QHTI (isolator topologi Hall) menjadi fase dasar Hall yang bersifat isolasi dans uatu jenis transisi yang hingga kini belum banyak dibahas .



Dengan cara ini, Louis Veyrat dan rekannya mendemonstrasikan fase feromagnetik (F) dalam graphene yang disaring. Penyiapan muncul di medan magnet rendah sebagai fase topologi yang diinduksi interaksi prototipikal dengan transportasi tepi heliks yang kuat. Eksitasi tepi heliks dengan medan magnet untuk mempelajari mode nol-energi dalam arsitektur superkonduktivitas- diproksimasi. Metode rekayasa penyaringan substrat dapat dilakukan karena ketebalan hBN spacer yang digunakan dalam penelitian ini, oleh karena itu tim mengharapkan keadaan dasar dan sifat optoelektronik dari sistem 2-D berkorelasi lainnya akan sangat dipengaruhi oleh lingkungan dielektriknya.


Jurnal Referensi
Louis Veyrat et al. Helical quantum Hall phase in graphene on SrTiO3, Science (2020). DOI: 10.1126/science.aax8201

Javier D. Sanchez-Yamagishi et al. Helical edge states and fractional quantum Hall effect in a graphene electron–hole bilayer, Nature Nanotechnology (2016). DOI: 10.1038/nnano.2016.214

A. F. Young et al. Tunable symmetry breaking and helical edge transport in a graphene quantum spin Hall state, Nature (2013). DOI: 10.1038/nature12800

Sumber Berita