Ballistic electron transport in 3D Dirac semimetal Cd₃As₂ nanowire p-n junction

Abstract

본 논문은 3 차원 위상 디락 준금속 Cd3As2 나노선의 p-n 접합에서 발생하는 탄도 전자 수송을 연구하였다. Cd3As2 는 3 차원 운동량 공간에서 선형 분산을 보이며, 이로 인해 많은 연구자들이 주목하고 있다. 이러한 선형 분산은 시간 역전 대칭, 점 대칭, 회전 대칭과 같은 대칭 깨짐을 통해 위상적으로 보호되어 바일 디락 준금속으로 전이 할 수 있다. 본 실험에서는 Cd3As2 나노선을 전계 효과 트랜지스터 구조로 제작하고, 이 아래에 2 개의 하부 게이트 전극을 만들어 하나의 Cd3As2 나노선 채널 내에 서로 다른 유형의 p-n 접합을 형성했다. 형성된 p-n 접합을 통해 각 p-n 접합 유형에서 음의 자기 저항이 어떻게 동작하는지 확인했다. 자기장을 가한 p-n 접합에서 전도도가 양자화되는 현상도 확인했다. 또한 전도양자화와 함께 나타난 Fabry-Perot 간섭을 통해 우리의 Cd3As2 나노선 소자가 1 차원적으로 탄도 수송되는 것을 확인했다. 나노선과 나노리본 유형의 Cd3As2 샘플을 비교하여 두 Cd3As2 에서 구조적으로 다른 전도 양자화를 확인하여, 이는 바일 디락 반금속에서의 3 차원 위상 현상임을 보여준다. 더불어 양자 소자로서의 가능성과 기초를 마련하기 위해 초전도 LC 회로를 만들어 Cd3As2 전계 효과 소자와 결합했다. Cd3As2 나노선의 p-n 접합은 초전도 LC 회로에 결합된 Cd3As2 나노선 전계 효과 소자를 통해 공명과 함께 전도도를 확인했으며, Cd3As2 나노선이 가진 양자 커페시턴스의 게이트 의존성으로 인한 공진 주파수 변화를 확인했다. 이는 소자의 크기가 작아지면서 발생하는 현상으로, 우리의 결과는 Cd3As2 를 양자 소자로 사용할 때 양자 커페시턴스를 고려해야 한다는 점을 제안한다. 또한 초전도 LC 회로에 결합된 Cd3As2 나노선 전계 효과 소자에서 나타난 Fabry-Perot 간섭을 분석하여, 우리의 소자의 채널 전 영역에서 탄도 수송이 이루어지고 있음을 확인했다. 이러한 결과들은 3 차원 위상 디락 반금속을 기반으로 한 미래의 양자 소자로서의 가능성을 보여준다.|This paper investigates ballistic electron transport in the p-n junction of three-dimensional topological Dirac semi- metal Cd₃As₂ nanowires. In our experiment, we fabricated Cd₃As₂ nanowires into a field-effect transistor structure, with two underlying trenched gate creating controllable p-n junctions within a single Cd₃As₂ nanowire channel. Through the formed p-n junctions, we examined how negative magnetoresistance behaves in each type of p-n junction. The phenomenon of quantum quantization was confirmed when a magnetic field was applied to the Cd₃As₂ nanowire/nanoribbon device. Additionally, We also observed the Fabry-Perot interference. These results indicated one-dimensional ballistic transport in our Cd₃As₂ nanowire/nanoribbon device. By comparing nanowires and nanoribbon type Cd₃As₂ devices, we identified structurally distinct quantum conductance in the two Cd₃As₂. This indicates the three-dimensional topological phenomena in Dirac semimetals Cd₃As₂. Furthermore, to explore the potential as a quantum device, we coupled Cd₃As₂ nanowire field-effect transistors with a superconducting LC circuit. The p-n junctions of Cd₃As₂ nanowires, coupled to the superconducting LC circuit, exhibited in resonance spectrum and current map data. We confirmed that the resonant frequency shift, influenced by the gate-dependent quantum capacitance of Cd₃As₂ nanowires. This suggests the importance of considering quantum capacitance when utilizing low dimensional Dirac semimetal or some material with as a quantum device. we observed the Fabry-Perot interference in the superconducting LC circuit coupled to Cd₃As₂ nanowire field-effect transistor. Additionally, through the analysis of Fabry-Perot interference, we determined that ballistic transport occurs across the entire channel region of our device. These results demonstrate the potential of three-dimensional topological Dirac semimetals as the foundation for future quantum devices.