États étendus de l’effet Hall quantique anormal dans les super-réseaux de moiré graphène/nitrure de bore hexagonal

Contexte académique

Ces dernières années, le comportement des électrons dans les bandes plates topologiques a suscité un intérêt considérable dans le domaine de la physique de la matière condensée. Sous l’effet de fortes corrélations, les électrons dans ces bandes peuvent former de nouveaux états topologiques, qui présentent un effet Hall quantique anormal (Quantum Anomalous Hall Effect, QAHE) en l’absence de champ magnétique. En particulier, les super-réseaux de moiré formés par le graphène multicouche et le nitrure de bore hexagonal (hBN) offrent une plateforme idéale pour étudier ces états topologiques. Des études antérieures ont montré que les super-réseaux de moiré de graphène rhomboédrique à cinq couches (rhombohedral graphene, RG) avec hBN présentent un effet Hall quantique anormal fractionnaire (Fractional Quantum Anomalous Hall Effect, FQAHE) à des températures d’environ 400 millikelvins, ce qui a suscité un débat approfondi sur les mécanismes sous-jacents et le rôle des effets de moiré.

Cependant, de nombreuses questions restent sans réponse concernant les mécanismes de formation de ces états topologiques et leur comportement à des températures encore plus basses. En particulier, l’influence du potentiel de moiré sur le comportement des électrons et l’absence de bandes de moiré isolées dans l’image à une particule rendent l’étude de ce système particulièrement complexe. Par conséquent, l’équipe de recherche vise à explorer de nouveaux états topologiques dans les super-réseaux de moiré RG/hBN grâce à des mesures de transport électrique à très basse température, et à révéler les mécanismes physiques sous-jacents.

Source de l’article

Cet article est le fruit d’une collaboration entre des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de la Florida State University et du National Institute for Materials Science (NIMS) au Japon. Les auteurs principaux incluent Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, entre autres. L’article a été publié en 2024 dans la revue Nature sous le titre “Extended quantum anomalous hall states in graphene/hBN moiré superlattices”.

Méthodologie et résultats

1. Conception expérimentale et fabrication des dispositifs

L’équipe de recherche a conçu et fabriqué des dispositifs de super-réseaux de moiré graphène/hBN multicouches, incluant des dispositifs à cinq et quatre couches de graphène. Les étapes clés de la fabrication des dispositifs sont les suivantes :

• Empilement et imagerie du graphène : En utilisant une technique d’imagerie infrarouge (basée sur une caméra InGaAs) et la spectroscopie Raman, l’équipe a pu rapidement identifier les feuillets de graphène présentant un ordre d’empilement rhomboédrique. Cet ordre d’empilement est crucial pour la formation de bandes plates topologiques.
• Assemblage des dispositifs : Les feuillets de graphène sélectionnés ont été empilés avec des couches de hBN pour former des structures de super-réseaux de moiré. Les dispositifs ont ensuite été structurés en barres de Hall par lithographie par faisceau d’électrons et gravure ionique réactive, et des électrodes en Cr/Au ont été déposées pour permettre les mesures électriques.
• Mesures à basse température : Les dispositifs ont été mesurés dans un réfrigérateur à dilution Bluefors LD250, où la température électronique pouvait descendre en dessous de 40 millikelvins. Des amplificateurs lock-in ont été utilisés pour mesurer la résistance longitudinale (Rxx) et la résistance de Hall (Rxy), et des courants continus et alternatifs ont été appliqués pour étudier les propriétés de transport des dispositifs.

2. Mesures de transport électrique et résultats

L’équipe a effectué des mesures systématiques de transport électrique sur les dispositifs de super-réseaux de moiré graphène/hBN à cinq et quatre couches à très basse température, avec les résultats suivants :

• Effet Hall quantique anormal fractionnaire (FQAHE) : Dans les dispositifs à cinq couches, l’équipe a observé plusieurs états FQAHE à des facteurs de remplissage fractionnaires (par exemple, v=²⁄₅, ³⁄₇, ⁴⁄₉, etc.). Ces états restent stables à des températures aussi basses que 10 millikelvins, avec des valeurs de Rxx inférieures à celles rapportées précédemment. Dans les dispositifs à quatre couches, l’équipe a observé pour la première fois des états FQAHE à des facteurs de remplissage v=³⁄₅ et ²⁄₃.
• État étendu de l’effet Hall quantique anormal (EQAH) : À très basse température et avec de faibles courants, l’équipe a découvert un nouvel état topologique, appelé état étendu de l’effet Hall quantique anormal (Extended Quantum Anomalous Hall State, EQAH). Cet état présente une résistance de Hall quantifiée (Rxy=h/e2) et une résistance longitudinale nulle (Rxx) sur une large plage de facteurs de remplissage (v=0,5 à 1,3). Avec l’augmentation de la température ou du courant, l’état EQAH disparaît progressivement et se transforme partiellement en un état liquide FQAHE.
• Transitions de phase quantiques induites par le champ de déplacement : En ajustant le champ de déplacement (displacement field, D), l’équipe a observé des transitions de phase quantiques de l’état EQAH vers un liquide de Fermi (Fermi Liquid, FL), un liquide FQAHE et un liquide de Fermi composite (Composite Fermi Liquid, CFL). Ces transitions révèlent une richesse de phénomènes quantiques dans les super-réseaux de moiré RG/hBN.

3. Analyse des données et interprétation théorique

L’équipe a extrait les valeurs de Rxx et Rxy à champ magnétique nul en symétrisant et antisymétrisant les données. Ils ont également analysé la structure de bande des dispositifs à l’aide de diagrammes de Landau, validant ainsi les propriétés topologiques des états FQAHE et EQAH. Les calculs théoriques suggèrent que l’état EQAH pourrait être similaire à un cristal Hall quantique anormal (Quantum Anomalous Hall Crystal, QAHC) ou à un état isolant Hall quantique réentrant (Re-entrant Quantum Hall Insulator).

Conclusion et signification

Cette étude a permis pour la première fois d’observer un état étendu de l’effet Hall quantique anormal (EQAH) en l’absence de champ magnétique, révélant son universalité dans les super-réseaux de moiré graphène/hBN multicouches. La découverte de l’état EQAH enrichit non seulement les phénomènes quantiques dans les matériaux à bandes plates topologiques, mais offre également une nouvelle plateforme pour étudier les états topologiques dans les systèmes d’électrons fortement corrélés. De plus, en contrôlant le champ de déplacement et la température, l’équipe a démontré des transitions de phase de l’état EQAH vers d’autres états quantiques, ouvrant la voie à une exploration plus approfondie des mécanismes de formation des états topologiques et de leur potentiel d’application.

Points forts de la recherche

1. Découverte d’un nouvel état topologique : Première observation d’un état étendu de l’effet Hall quantique anormal (EQAH) en l’absence de champ magnétique, révélant son universalité sur une large plage de facteurs de remplissage.
2. Mesures de précision à très basse température : Grâce à des filtres améliorés et à une technologie de réfrigération à dilution, l’équipe a atteint des températures électroniques inférieures à 40 millikelvins, une condition essentielle pour observer de nouveaux états topologiques.
3. Contrôle des transitions de phase par le champ de déplacement : En ajustant le champ de déplacement, l’équipe a démontré des transitions de phase de l’état EQAH vers un liquide de Fermi, un liquide FQAHE et un liquide de Fermi composite, révélant une richesse de phénomènes quantiques dans les super-réseaux de moiré RG/hBN.
4. Combinaison de théorie et d’expérience : En comparant les calculs théoriques aux données expérimentales, l’équipe a proposé que l’état EQAH pourrait être similaire à un cristal Hall quantique anormal ou à un état isolant Hall quantique réentrant, offrant de nouvelles directions pour les recherches théoriques futures.

Autres informations pertinentes

L’équipe a également développé une technique d’imagerie infrarouge basée sur une caméra InGaAs pour identifier rapidement les feuillets de graphène présentant un ordre d’empilement spécifique. Cette technique améliore non seulement l’efficacité de la fabrication des dispositifs, mais fournit également un nouvel outil pour étudier l’ordre d’empilement dans d’autres matériaux bidimensionnels.

Cette étude fournit des preuves expérimentales cruciales pour comprendre le comportement des électrons fortement corrélés dans les bandes plates topologiques, et ouvre de nouvelles perspectives pour explorer le potentiel d’application des états quantiques topologiques.