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光电研究所团队发现量子霍尔态的界面电荷序调控新机制

发布日期:2022-11-20  发布人:浏览量:

 

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近期,我院光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室韩拯教授课题组实现了一种垂直电场调控的准二维界面局域电子态,进而通过库伦相互作用对石墨烯自身能带产生有效调控并在磁场下呈现新奇量子霍尔态。研究以“石墨烯中量子霍尔相的界面电荷耦合操控”(Quantum Hall phase in graphene engineered by interfacial charge coupling)为题,发表于《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)。



量子霍尔边界态(Quantum Hall Edge States,QHE)理论上可构建手性超导等新型量子激发态系统,是一种重要的拓扑电子态。除本征属性外,量子霍尔效应在很大程度上还会受到衬底材料对其电子掺杂乃至电子结构调控的影响。


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图1. (a)在特定垂直电场下CrOCl界面态与石墨烯费米面对齐,界面态开始填充,并通过库伦作用改变石墨烯能带结构;(b)体系在5 T磁场下的朗道能级随顶栅和底栅调控图谱,以及石墨烯能带结构在经典(Phase-i)和界面耦合(Phase-ii)相区示意图。


本工作发现石墨烯与一氯一氧化铬(CrOCl)垂直复合系统中的界面准二维电子态自发对称破缺,并趋于形成波长在数纳米至数十纳米范围内的电荷序。这种长程序超周期能够进一步加强石墨烯电子自身的电子关联,使得电中性点附近的狄拉克电子费米速度大幅增加并且打开带隙,体现为狄拉克锥“变尖”的能带重构(图1)。


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图2. 温度为3K时,(a)体系廊道能级在磁场(B)-电场(D)-等效载流子浓度(n)参数空间的三维相图。在Phase-ii中,填充系数为±2量子化电导平台可外延至接近零磁场。(b)14 T磁场,0.35 V/nm电位移矢量下,体系的横向和纵向电阻随双栅电压(转化为有效载流子浓度n)的调控关系。


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图3. 与若干可实现量子化边界态的实验体系相比,本项工作可在液氮温度(77 K)、0.35 T磁场(永磁体即可提供的磁场强度)获得量子化电导平台。


值得提出的是,在这个界面耦合QHE相中,横向电导量子化可以在很小的磁场下发生,并且该行为可维持到液氮温度以上,具有极强的鲁棒性。例如,77 K温度下,本体系实现±2填充系数的横向电导量子化平台所需要的磁场可低至350 mT(该磁场强度由一般永磁体即可提供),而传统石墨烯的量子化电导在77 K则需要10 T以上磁场才能获得(图2-图3)。这使量子化电导边界态在诸如拓扑超导、量子霍尔法珀干涉等未来电子学应用方面从液氦温区向液氮温区迈出了关键一步。

该研究工作由世界杯买球在哪个app光电研究所与上海科技大学、北京大学、中科院半导体所、中国科学院大学、日本国立材料科学研究所、沈阳材料科学国家研究中心、辽宁材料实验室等国内外多家单位合作完成。

研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划青年项目、山西省“1311”工程、教育部“部省合建”重点高校项目、世界杯买球在哪个app量子光学与光量子器件国家重点实验室等支持。

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41565-022-01248-4

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