康奈尔大学，Nature Materials!

学术 2024-11-01 08:00 浙江

▲第一作者：G. M. Ferguson

通讯作者：Katja C. Nowack

通讯单位：美国康奈尔大学

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01622-0

背景介绍

量子反常霍尔(QAH)绝缘体的特点是零磁场下的量子化霍尔和纵向电阻消失，不受局部扰动的影响，与样品细节无关。这种不敏感性使得局部电流分布的微观细节无法被输运测量所获取。因此，引起输运量子化的电流分布是未知的。

02

本文亮点

1.本工作利用磁成像直接可视化QAH机制下的输运电流。当通过静电门对QAH平台进行调谐时，本工作清楚地识别出样品主要在体相而不是沿边缘传输电流的机制。

2.本工作对平衡磁化强度对静电门控的局域响应进行了成像。综合这些测量结果，表明电流流经不可压缩区域，其空间结构在整个QAH区都会发生变化。

3.识别QAH绝缘体和其他拓扑非平庸物质中电子输运的合适微观图像是实现其在下一代量子器件中的潜力的关键步骤。

图文解析

▲图1. QAH效应样品的磁成像研究

要点：

1、本工作使用磁成像来可视化QAH绝缘体中的电流分布。如图1a所示，本工作扫描了超导量子干涉器件(SQUID)~1 μm的拾取环，该拾取环位于由磁性掺杂拓扑绝缘体制成的光刻定义的霍尔棒表面上方。

2、本工作以磁通量子数Φ₀为单位报告SQUID信号。从样品的静态磁化强度、施加的输运电流和磁响应到施加的顶栅电压的变化来测量磁信号。为了将静态磁化强度从后两个信号中分离出来，本工作以有限频率分别调制施加在样品触头或栅极上的电压，并通过锁相放大器检测相关的磁通信号。

3、本工作的测量是在SrTiO₃(STO)衬底上生长的Cr掺杂(Bi、Sb)₂Te₃(BST)异质结制备的六端霍尔棒(A装置)上进行的(图1b)。漏极触头及其相邻的两个电压探头在片上短路。通过STO衬底的栅极，可以通过间隙来调节化学势。当样品磁化后，输运系数在一定的背栅电压范围内(V_BG(图1c,d))达到一个量化值的平台，表明QAH机制。

▲图2. QAH机制下的体主导输运

要点：

1、为了成像传输电流，在源极接触和漏极接触接地的情况下施加一个在0和V_bias之间振荡的偏置电压，频率为140.5 Hz (图2c)。流过样品的电流产生杂散磁场，将磁通ΦI耦合到SQUID拾取回路中。

2、图2b显示了重建的电流密度。令人惊讶的是，本工作发现电流在样品的内部流动，即使它被门控到QAH区。在图 2d中，通过样品给出了15 nA下ΦI的线切割和重建的电流密度x分量jx随背栅电压的变化关系。本工作主要关注传输为量子化且几乎无耗散的背栅电压(图2f)。使用25 nA或以下的偏置电流，在该偏置电流下，输运中观察到QAH平台，其测量对应于样品的线性响应。

3、随着背栅电压的增加，该电流密度在沟道中心形成一个凹陷，并分叉为两个独立的电流带。随着背栅电压的增加，这些条带平滑地向沟道边缘移动。同时记录的Ryx和R2T的测量(图2f)表明，随着电流密度的变化，样品通过QAH机制进行调节。本工作在器件 B中观察到了与器件 A相同的电流密度定性行为。对于器件 C，发现电流分布在样品的内部，并且在整个QAH区保持均匀。这证实了在QAH区对应的背栅电压下，电流在样品的体相中传输。

▲图3. 通过栅诱导磁响应识别局域能带填充

要点：

1、接下来对样品的平衡磁化强度进行了成像，发现局域带填充是如何依赖于背栅电压的。图3a显示了样品在-0.4 T下静态磁化产生的磁通量Φ_d.c.图像。从Φ_d.c.的边缘本工作估计了 ~10 μ_B nm^-2的磁化强度，其中μ_B是玻尔磁子。这在由Cr掺杂BST的100-QL厚薄膜的体测量估计的磁化强度的2倍以内。

2、为了获得图3b所示的图像，在顶部栅极施加了一个小的振荡电压V_a.c.(图3c )并观察到了磁化响应。从ΦV图像中重建了3个背栅电压对应的磁化强度变化dM/dV_TG(图3d-f)，与样品的静态磁化强度相反。

3、在V_BG=55 V (图3d)时，信号在空间上基本均匀，而在V_BG=110 V(图3e)时，观察到通道内部dM/dV_TG大幅降低，样品边缘附近信号更强。当V_BG=150 V时(图3f )，dM/dV_TG在空间上再次均匀，但与较低的背栅电压相比，幅值有所降低。在V_BG=0 V时，背栅电压范围内的总变化约为磁化强度的15%，并且在直流测量中也是显著的。

4、然而，最近的研究表明，额外的机制可能有助于耦合，包括空穴介导的RKKY相互作用和掺杂杂质带介导的磁交换相互作用。虽然在没有自由载流子的情况下铁磁有序明显存在，但是已经报道了一些磁性随载流子密度的变化。尽管对dM/dV_TG不同贡献的阐明需要进一步的工作，但dM/dV_TG清楚地表明了从填充价带到填充导带的转变。

▲图4. QAH机制下的输运微观模型

要点：

1、为了与本工作的结果进行比较，将图4a中的dM/dV_TG重新绘制在以间隙为中心的一系列V_BG上。在化学势从价带极小值和导带极大值跃迁的区域，预计会形成不可压缩的条带。因此，本工作将价带的强dM/dV_TG信号和导带的弱dM/dV_TG信号之间的过渡区域确定为样品不可压缩的位置和V_BG的范围。

2、本工作发现具有有限电流密度的区域与从dM/dV_TG中确定的不可压缩区域的几何形状非常接近，这表明在样品中，横向电场在不可压缩区域驱动无耗散的霍尔电流。在图4b中，展示了根据本工作的数据推断的作为V_BG函数的局域能带填充的示意图。

3、在图4d中，本工作给出了两种不同背栅电压下对应的局域能带填充的实空间图。在这个模型中，支持量子化输运的是拓扑非平庸价带中载流子的反常速度，而不是边缘态。虽然体输运在本工作的样品中占主导地位，但总的来说，边缘态和体态都可能对量子霍尔绝缘体中的输运有贡献，具体细节由样品的静电构型决定。

4、最后，讨论了图4c中的电流，这些电流似乎是在背栅电压下对样品进行循环的，因为它的传输没有被量化。相关的磁通信号比从传输电流中预期的信号大约高出一个数量级，不随外加偏压的符号而反转，并且是非线性的。

5、整数量子霍尔效应中耗散的局域测量揭示了在接触的角落里的所谓热点，在那里电流被假定进入器件。如果本工作的样品中局部加热降低了磁化强度，那么当本工作对霍尔棒的接触区域进行成像时，热点在磁成像中也应该是可见的。当样品处于QAH区时，本工作确实在源极接触的角落附近看到了与局部退磁一致的信号。当磁化反转时，这个热点移动到相反的角落，与磁场反转时量子霍尔效应中热点的移动一致。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01622-0

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