量子ホール物理学：量子スピンホール絶縁体における双安定超格子スイッチング

双安定スイッチングは通常、強誘電性や強磁性などのフェロイック秩序から生じ、その際、双安定状態は、電荷またはスピンの自由度に符号化される。今回我々は、デュアル量子スピンホール絶縁体である単層TaIrTe₄に双安定超格子スイッチングを観測したことを報告する。スイッチングは、周期性が著しく対照的な2つの格子配置の間で生じる。具体的には我々は、元の状態の単層において、低エネルギー電子状態の静電的な調整によって不揮発的にオン・オフのプログラムが可能な長周期超格子の自発的な出現を観察した。このスイッチングでこの系は、2桁異なる単位格子面積を有する2つの構造配置の間で切り替わる。機構面では、今回の結果から、格子における不安定性と量子スピンホール電子における不安定性という、2つの独立したはっきりと異なる不安定性が明らかになった。これらの不安定性は結合していて、不揮発性メモリー機能を備えた格子配置の静電的制御につながっている。この知見は、基礎となる秩序の相補的な側面を調査する、線形および非線形の輸送測定、ラマン分光法、走査型トンネル顕微鏡を組み合わせることによって可能となった。特に、この不揮発性メモリーは、数ナノメートル規模の周期性を伴う自発的超格子を安定化させ、この超格子は、広いドーピング範囲にまたがって堅牢性を維持し、数日にわたって持続し、70 K以上で存続した。我々の予備的なデータはまた、分数の超格子充填率で新たな絶縁状態が出現することも示しており、これらの状態は、超格子と共にオン・オフ切り替えすることができる。

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