グラフェン/hBNモアレ超格子における拡張量子異常ホール状態

2025-01-26 Sun
量子異常ホール効果グラフェンモアレ超格子トポロジカルフラットバンド分数ホール状態量子相転移電子結晶状態
グラフェン/六方晶窒化ホウ素モアレ超格子における拡張量子異常ホール状態学術的背景近年、トポロジカルフラットバンド中の電子の振る舞いは、凝縮系物理学分野で広く注目を集めています。トポロジカルフラットバンド中の電子は、強相関効果の下で新しいトポロジカル状態を形成し、これらはゼロ磁場下で量子異常ホール効果（Quantum Anomalous Hall Effect, QAHE）を示します。特に、多層グラフェンと六方晶窒化ホウ素（hBN）が形成するモアレ超格子系は、これらのトポロジカル状態を研究するための理想的なプラットフォームを提供します。これまでの研究では、五層菱面体グラフェン（rhombohedral graphene, RG）とhBNのモアレ超格子が約400ミリケルビンの温度で分数量子異常ホール効果（Fractional Quantum Anomalous Hall Effect, FQAHE）を示すことが報告されており、そのメカニズムやモアレ効果の役割について広範な議論が行われています。
しかし、これらのトポロジカル状態の形成メカニズムやより低温での振る舞いについては、まだ多くの未解決の問題が残されています。特に、モアレポテンシャルが電子の振る舞いに与える影響や、単一粒子像における孤立したモアレサブバンドの欠如は、この系の研究をさらに挑戦的なものにしています。そこで、研究チームは極低温での電気輸送測定を通じて、RG/hBNモアレ超格子中の新しいトポロジカル状態を探求し、その背後にある物理的メカニズムを明らかにすることを目指しました。
論文の出典この論文は、マサチューセッツ工科大学（MIT）、フロリダ州立大学（Florida State University）、および日本の物質・材料研究機構（National Institute for Materials Science, NIMS）の研究チームによって共同で執筆されました。主な著者にはZhengguang Lu、Tonghang Han、Yuxuan Yaoらが含まれます。論文は2024年に『Nature』誌に掲載され、タイトルは「Extended quantum anomalous hall states in graphene/hBN moiré superlattices」です。
研究のプロセスと結果1. 実験設計とデバイス作製研究チームは、多層グラフェン/hBNモアレ超格子デバイスを設計・作製し、五層および四層グラフェンデバイスを含みました。デバイスの作製プロセスには以下の重要なステップが含まれます：
グラフェンの積層とイメージング：赤外線イメージング技術（InGaAsカメラベース）とラマン分光法を用いて、研究チームは菱面体積層順序を持つグラフェンフレークを迅速に選別しました。この積層順序は、トポロジカルフラットバンドを形成するために重要です。
デバイスの組立て：選別されたグラフェンフレークをhBN層と積層し、モアレ超格子構造を形成しました。電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチング技術を用いて、デバイスをホールバー構造に加工し、Cr/Au電極を堆積して電気測定を可能にしました。
低温測定：デバイスはBluefors LD250希釈冷凍機内で測定され、電子温度は40ミリケルビン以下にまで低下させることができました。ロックインアンプを使用して縦抵抗（Rxx）とホール抵抗（Rxy）を測定し、直流および交流電流を印加してデバイスの輸送特性を研究しました。
2. 電気輸送測定と結果研究チームは、極低温下で五層および四層グラフェン/hBNモアレ超格子デバイスの系統的な電気輸送測定を行い、以下の主要な結果を得ました：
分数量子異常ホール効果（FQAHE）：五層デバイスでは、v=2/5、3/7、4/9などの分数充填率でFQAHE状態が観察されました。これらの状態は10ミリケルビンの温度でも安定して存在し、Rxx値は以前の報告よりも低くなりました。四層デバイスでは、v=3/5および2/3充填率でのFQAHE状態が初めて観察されました。
拡張量子異常ホール状態（EQAH）：極低温および小電流条件下で、研究チームは新しいトポロジカル状態である拡張量子異常ホール状態（Extended Quantum Anomalous Hall State, EQAH）を発見しました。この状態はv=0.5から1.3の広い範囲で量子化されたホール抵抗（Rxy=h/e2）と消失した縦抵抗（Rxx）を示しました。温度または電流を増加させると、EQAH状態は徐々に消失し、部分的にFQAHE液体状態に遷移しました。
変位場誘起量子相転移：変位場（displacement field, D）を調整することで、研究チームはEQAH状態からフェルミ液体（Fermi Liquid, FL）、FQAHE液体、および複合フェルミ液体（Composite Fermi Liquid, CFL）への量子相転移を観察しました。これらの相転移は、RG/hBNモアレ超格子中の豊富な量子現象を明らかにしました。
3. データ分析と理論的解釈研究チームは、データの対称化および反対称化処理を行い、ゼロ磁場下でのRxxおよびRxy値を抽出しました。また、Landau fan図を用いてデバイスのバンド構造を分析し、FQAHEおよびEQAH状態のトポロジカル性質を検証しました。理論計算によると、EQAH状態は量子異常ホール結晶（Quantum Anomalous Hall Crystal, QAHC）または再入量子ホール絶縁体（Re-entrant Quantum Hall Insulator）状態に類似している可能性があります。
結論と意義この研究は、ゼロ磁場下で拡張量子異常ホール状態（EQAH）を初めて観察し、その多層グラフェン/hBNモアレ超格子中での普遍性を明らかにしました。EQAH状態の発見は、トポロジカルフラットバンド材料中の量子現象を豊かにするだけでなく、強相関電子系におけるトポロジカル状態の研究に新しいプラットフォームを提供します。さらに、研究チームは変位場と温度の制御を通じて、EQAH状態から他の量子相への相転移を示し、トポロジカル量子状態の形成メカニズムと応用可能性の探求に基盤を築きました。
研究のハイライト新しいトポロジカル状態の発見：ゼロ磁場下で拡張量子異常ホール状態（EQAH）を初めて観察し、その広い充填率範囲での普遍性を明らかにしました。
極低温での精密測定：改良されたフィルターと希釈冷凍技術により、研究チームは40ミリケルビン以下の電子温度を実現し、新しいトポロジカル状態の観察に必要な条件を提供しました。
変位場制御による量子相転移：変位場を調整することで、EQAH状態からフェルミ液体、FQAHE液体、および複合フェルミ液体への相転移を示し、RG/hBNモアレ超格子中の豊富な量子現象を明らかにしました。
理論と実験の融合：研究チームは理論計算と実験データの比較を通じて、EQAH状態が量子異常ホール結晶または再入量子ホール絶縁体状態に類似している可能性を示し、今後の理論研究に新しい方向性を提供しました。
その他の価値ある情報研究チームは、特定の積層順序を持つグラフェンフレークを迅速に選別するためのInGaAsカメラベースの赤外線イメージング技術を開発しました。この技術は、デバイス作製の効率を向上させるだけでなく、他の二次元材料中の積層順序の研究にも新しいツールを提供します。
この研究は、トポロジカルフラットバンド中の強相関電子の振る舞いを理解するための重要な実験的証拠を提供し、トポロジカル量子状態の応用可能性を探求する新たな道を開拓しました。