L'appareil tBLG. (A) Micrographie optique de l'appareil. La barre d'échelle correspond à 10 µm. (B) Schéma d'une hétérostructure tBLG. Le tBLG est encapsulé entre des flocons de hBN, avec un flocon de graphite à quelques couches utilisé comme grille. (C) Image optique de la pile. Le bord cristallin du hBN supérieur et la couche supérieure de tBLG sont alignés avec un décalage angulaire de 30 degrés dans les plans de clivage marqués. (D) Image optique de l'empilement avant gravure, montrant la couche supérieure du tBLG (ligne pointillée rouge), couche inférieure du tBLG (ligne pointillée blanche), et la porte du bas (ligne continue verte). Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aay5533
L'effet Hall anormal quantique (QAH) peut combiner la topologie et le magnétisme pour produire une résistance Hall quantifiée avec précision à un champ magnétique nul (un environnement soigneusement protégé des champs magnétiques). Dans un récent rapport sur Science , M. Serlin et une équipe de recherche interdisciplinaire du Département de physique, Le National Institute of Materials Science et le Kavli Institute for Theoretical Physics aux États-Unis et au Japon ont détaillé l'observation d'un effet QAH dans le graphène bicouche torsadé aligné sur le nitrure de bore hexagonal. Ils ont conduit l'effet via des interactions fortes intrinsèques, qui a polarisé les électrons en une seule mini-bande de moiré à résolution de spin et de vallée (motif d'interférence).
Lorsqu'un champ magnétique est appliqué perpendiculairement au flux de courant dans un film mince, un champ électrique connu sous le nom d'effet Hall peut être généré mutuellement perpendiculairement au courant et au champ magnétique. Un effet Hall anormal nécessite une polarisation magnétique combinée et un couplage spin-orbite en l'absence d'un champ magnétique externe (d'où l'anomalie). Lorsque l'effet Hall anormal est quantifié, il est connu sous le nom d'effet Hall anormal quantique. Contrairement aux systèmes dopés magnétiquement, la carte énergétique des transports mesurée par Serlin et al. était supérieure à la température de Curie pour l'ordre magnétique. Des courants électriques aussi petits que 1 nA pourraient commuter de manière contrôlable l'ordre magnétique entre des états de polarisation opposée pour former une mémoire magnétique réinscriptible électriquement.
Les physiciens et les scientifiques des matériaux peuvent classer les isolants bidimensionnels en utilisant la topologie de leurs bandes d'énergie remplies. En l'absence de symétrie d'inversion temporelle (conservation de l'entropie), La topologie de bande non triviale peut se manifester expérimentalement par une conductivité Hall quantifiée. Les chercheurs sont motivés par des questions fondamentales sur la nature des transitions de phase topologiques et leurs applications possibles en métrologie de résistance et en informatique quantique topologique. Ils ont consacré des efforts importants à la conception d'effets Hall anormaux quantifiés avec une résistance quantifiée topologiquement protégée en l'absence d'un champ magnétique appliqué. Les scientifiques n'avaient jusqu'à présent observé des effets QAH que dans une classe étroite de matériaux contenant des matériaux de transition dopés. Les moments magnétiques dopants dans ces matériaux ont brisé la symétrie d'inversion du temps, combiné avec les structures électroniques fortement couplées spin-orbite pour produire des bandes de Chern topologiquement non triviales (bandes d'énergie).
Effet Hall anormal quantifié dans le graphène bicouche torsadé à 1,6 K. (A) Résistance longitudinale Rxx et résistance Hall Rxy en fonction de la densité de porteurs n à 150 mT. Rxy atteint h/e2 et Rxx s'approche de zéro près de ν =3. Les données sont corrigées pour le mélange des composants Rxx et Rxy par symétrisation par rapport au champ magnétique à B =±150 mT. (B) Résistance longitudinale Rxx et résistance Hall Rxy mesurées à n =2,37 × 10^12 cm−2 en fonction de B. Les données sont corrigées pour le mélange en utilisant la symétrisation de contact. Les directions de balayage sont indiquées par des flèches. (C) Résistance Hall Rxy en fonction du champ magnétique B et de la densité n. Les zones de boucle d'hystérésis sont ombrées pour plus de clarté. La paroi arrière montre des valeurs symétrisées d'entraînement sur le terrain de Rxy à B =0. Rxy(0) devient non nul lorsque le ferromagnétisme apparaît et atteint un plateau de h/e2 près d'une densité de n =2,37 × 10^12 cm−2. (D) Structure de bande schématique au remplissage complet d'une cellule unitaire moirée (ν =4) et =3. Le nombre net de Chern Cnet 0 à ν =3. Crédit :Science, doi:10.1126/science.aay5533.
La performance de ces matériaux est, cependant, limité par la distribution inhomogène des dopants magnétiques (additifs), conduisant à structurel, charge et désordre magnétique à l'échelle microscopique. La quantification résultante se produit donc à des températures qui sont approximativement d'un ordre de grandeur plus petites que la température d'ordre magnétique. Pour concevoir des effets Hall anormaux quantiques intrinsèques, les hétérostructures de graphène moiré fournissent deux ingrédients essentiels; bandes topologiques et fortes corrélations. Par exemple, en nitrure de bore hexagonal (hBN) et graphène multicouche torsadé, les motifs moirés produisent génériquement des bandes avec un nombre de Chern fini, où la symétrie d'inversion temporelle de la structure de bande de particules uniques peut être renforcée en annulant les nombres de Chern dans les vallées opposées du graphène. Par exemple, dans des hétérostructures spécifiques telles que le graphène bicouche torsadé (tBLG) avec un angle de torsion intercouche et le graphène rhomboédrique aligné sur hBN, la bande passante des bandes de Chern peut être rendue exceptionnellement petite. Les scientifiques ont démontré des états d'hystérésis magnétique (écart par rapport à la valeur théorique) par rapport à la brisure de la symétrie d'inversion du temps dans les hétérostructures tBLG et hBN pour montrer d'importants effets Hall anormaux.
Dans le travail present, Serlin et al. ont observé un effet QAH (quantum anomalous Hall) montrant une quantification de champ magnétique robuste dans un échantillon de tBLG (graphène bicouche torsadé) à bande plate aligné sur hBN (nitrure de bore hexagonal). Ils ont décrit la structure électronique du tBLG à bande plate via deux bandes distinctes par projection de spin et de vallée isolées des bandes dispersives à haute énergie par un écart énergétique. Les bandes plates avaient une capacité totale de huit électrons par cellule unitaire, l'équipe de recherche a défini le facteur de remplissage de la bande comme ν =nA
Dépendance de la température de l'effet Hall anormal quantique. (A) Rxy et (B) Rxx en fonction de B mesurés à différentes températures pour n =2,37 × 1012 cm−2. Le mélange Rxx et Rxy a été corrigé en utilisant la symétrisation de contact. (C) Dépendance en température de la résistance symétrisée d'entraînement sur le terrain xy R à B =0, comme décrit dans le texte principal. La température de Curie a été déterminée comme étant TC 7,5(0,5) K à l'aide d'une analyse graphique d'Arrott. Encart :dépendance détaillée à basse température de l'écart de xy R par rapport à la valeur quantifiée à B =0. Les barres d'erreur sont l'erreur standard dérivée de 11 mesures consécutives. xy R sature en dessous de ≈3 K à une valeur déterminée en faisant la moyenne des points entre 2 et 2,7 K. (D) Les tracés d'Arrhenius des résistances symétrisées de l'entraînement sur le terrain à B =0. Les lignes pointillées indiquent des ajustements d'activation représentatifs. Le traitement systématique de l'incertitude liée à l'absence d'un seul régime activé donne Δ =31 ± 11 K et 26 ± 4 K. Crédit :Science, doi:10.1126/science.aay5533
L'équipe a enregistré la résistance longitudinale et Hall à un champ magnétique (B) de 150 mT et une température (T) de 1,6 K, en fonction de la densité de charge sur toute la bande plate. Ils ont observé que la résistivité de Hall était hystérétique (en retard en réponse aux conditions changeantes) et les résultats ont montré un état QAH stabilisé par une symétrie d'inversion temporelle rompue spontanément. Les scientifiques n'ont observé la réponse quantifiée que pour un choix particulier de contacts dans un compartiment spécifique de l'appareil. Le magnétisme observé provient de la nature 2-D des bandes de graphène. Serlin et al. techniquement aligné le dispositif sur l'une des couches hBN et sur la base des observations, a prédit que les échantillons alignés sur hBN constitueraient une classe différente de dispositifs tBLG avec une phénoménologie distincte.
Au fur et à mesure que la température du système augmente, les scientifiques ont observé un écart par rapport à la quantification de la résistance et à la suppression de l'hystérésis avec l'effet Hall pour démontrer un comportement linéaire sur le terrain à 12 K. Ils ont observé une hystérésis finie jusqu'à des températures de 8 K, compatible avec la température de Curie (T
Commutation magnétique contrôlée par le courant. (A) Rxy en fonction du courant continu appliqué, montrant l'hystérésis en fonction du courant continu analogue à la réponse à un champ magnétique appliqué à 6,5 K. Encarts :illustrations schématiques du magnétisme orbital contrôlé par le courant. (B) Écriture électrique non volatile et lecture d'un bit magnétique à T =6,5 K et B =0. Une succession d'impulsions de courant de 20 nA de signes alternatifs inverse l'aimantation de manière contrôlable, qui est lu à l'aide de la résistance de Hall. L'état de magnétisation du trépan est stable pendant au moins 103 s (29). (C) Rxy en fonction à la fois du courant de polarisation continu et du champ magnétique à 7 K. Les directions opposées du courant continu stabilisent de préférence les états de magnétisation opposés du bit. Les mesures présentées en (A à C) ne sont ni symétrisées de champ ni d'Onsager, pourquoi il y a un décalage dans Rxy. Crédit :Sciences, doi:10.1126/science.aay5533
Étant donné que les domaines ferromagnétiques du tBLG peuvent interagir fortement avec le courant appliqué pour permettre un contrôle déterministe au sein du dispositif pour la polarisation du domaine avec des courants continus exceptionnellement faibles. Dans le travail present, les courants continus appliqués ont entraîné une commutation similaire à celle observée dans un champ magnétique appliqué, pour produire une commutation hystérétique entre les états de magnétisation. Serlin et al. également obtenu une écriture électrique non volatile déterministe et une lecture d'un bit magnétique en utilisant une succession d'impulsions de courant de 20 nA pour inverser de manière contrôlable l'aimantation, suivi d'une lecture utilisant le grand changement résultant de la résistance de Hall. L'amplitude absolue du courant nécessaire pour changer l'état de magnétisation du système avoisinait 10 -9 UNE, considérablement plus petit que celui rapporté dans tout système précédent.
Sur la base des résultats, l'équipe a proposé un mécanisme simple pour expliquer la commutation à faible courant observée résultant de l'interaction de la physique des états de bord et de l'asymétrie du dispositif. Par conséquent, dans un système QAH (Quantum Anomal Hall), un courant appliqué peut générer une différence de potentiel chimique entre les modes chiraux unidimensionnels situés sur les bords opposés de l'échantillon. Lorsque les bords ont des longueurs ou des vitesses différentes, le courant a favorisé l'un des deux domaines où le signe et l'amplitude de l'effet ont été déterminés en fonction de la symétrie du dispositif. De cette façon, M. Serlin et ses collègues ont noté que l'effet observé était générique pour tous les systèmes QAH et susceptible d'être dominant à de faibles courants dans le tBLG en raison du faible brochage des domaines magnétiques et des petites dimensions du dispositif. Le travail fournit un paramètre d'ingénierie pour le contrôle électrique de la structure du domaine, qui peut être codé de manière déterministe dans la géométrie de l'appareil.
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