Travail de sondage et dissipation thermique dans les bords du Hall quantique du graphène
Vidéo 1 :Une séquence de balayages de température pour différentes tensions de backgate V bg incrémenté de -8 V à 8 V à 4,2 K, B z =1T, et V tg =8 V. Un courant Idc est conduit de la constriction inférieure à l'un des contacts supérieurs et la valeur du courant est ajustée avec Vbg pour maintenir la puissance totale dissipée dans l'échantillon de R 2p je courant continu 2=10 nW. La chiralité du système est dans le sens antihoraire pour les niveaux de Landau négatifs et dans le sens horaire pour les niveaux de Landau positifs. Dans la vidéo, on peut observer l'évolution des processus de génération d'entropie, visible sous forme d'anneaux pointus le long des bords, et l'évolution des processus de génération de travail, qui apparaissent sous la forme de traits plus gros et plus flous. Aux grands facteurs de remplissage |ν|≥ 10, des anneaux "d'entropie" principalement en aval sont visibles le long du bord inférieur de l'échantillon à droite (gauche) de la constriction pour négatif (positif). Dans ce cas, le nombre de canaux aval est significativement plus grand que celui des canaux amont reconstruits en périphérie. Par conséquent, les canaux sont mieux équilibrés et donc il y a moins de rétrodiffusion et moins de travail effectué le long des bords. Dans cette situation, la plupart du travail est effectué au niveau de l'étranglement et les porteurs énergétiques injectés au niveau de l'étranglement s'écoulent en aval et perdent leur excès d'énergie par émission de phonons résonants au niveau des défauts atomiques visibles sous forme d'anneaux "d'entropie". Ces anneaux se désintègrent sur une distance d'environ 15 µm de la constriction. À |ν|≲ 10, des arcs de "travail" commencent à apparaître en plus des anneaux "d'entropie" le long des directions aval et amont et la chiralité est progressivement perdue. Ce comportement provient de la rétrodiffusion entre des canaux non topologiques à contre-propagation résultant en une génération de travail le long des canaux donnant lieu à des arcs. Ce travail, généré sur toute la longueur des canaux plutôt qu'à l'étranglement, en maintenant la source d'énergie dominante qui "alimente" les anneaux "d'entropie", expliquant l'absence de décroissance de l'intensité de l'anneau et l'absence de chiralité. Cette dispersion, répartis sur toute la longueur des bords, devient le plus important dans le LL le plus bas, nLL=0, où aucun canal de bord topologique n'est présent. Pourtant, la plupart du courant circule encore le long des bords en raison de la présence d'une ou plusieurs paires de canaux de bord non topologiques se propageant en sens inverse. Dans cet état métallique, ainsi que dans les états métalliques LL supérieurs, au lieu de la rétrodiffusion communément supposée entre les bords opposés de l'échantillon, la plus grande partie de la rétrodiffusion se produit entre les canaux de contre-propagation à l'intérieur des bords. C'est la raison pour laquelle dans la vidéo V1, nous n'observons pratiquement aucune dissipation dans la masse à n'importe quelle valeur de Vbg, sauf très proche du point de neutralité de charge, où la dissipation globale dans l'échantillon atteint un maximum révélant des anneaux à peine visibles le long des bords intérieurs des trous carrés (ν=-0,14 cadre). Crédit : Institut des sciences Weizmann
En combinant notre nano-SQUID sur la pointe avec des mesures de grille de balayage dans la phase de Hall quantique du graphène, nous avons pu mesurer et identifier séparément les processus de travail et de dissipation thermique. Les mesures montrent que la dissipation est régie par la diaphonie entre des paires de canaux en aval et en amont se propageant en sens inverse qui apparaissent aux limites du graphène en raison de la reconstruction des bords.
Au lieu du chauffage Joule local, cependant, le mécanisme de dissipation comprend deux processus distincts et séparés spatialement. Le processus générateur de travail que nous imaginons directement et qui implique l'effet tunnel élastique des porteurs de charge entre les canaux quantiques, détermine les propriétés de transport mais ne génère pas de chaleur locale.
Le processus de génération de chaleur et d'entropie visualisé indépendamment, en revanche, se produit non localement lors de la diffusion résonnante inélastique sur des défauts atomiques uniques aux bords du graphène (voir aussi nos travaux précédents) , tout en n'affectant pas le transport. Nos résultats offrent un aperçu crucial des mécanismes dissimulant la véritable protection topologique et suggèrent des possibilités d'ingénierie d'états quantiques plus robustes pour les applications de dispositifs. Vous trouverez ci-dessous des séquences d'analyses mesurées sur différents appareils au graphène à 4,2 K.
