[論文レビュー] Anomalous Hall ferromagnetism in twisted bilayer graphene

Nick Bultinck, Shubhayu Chatterjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2019

Graphene research and applications被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、基底 Landau 級モデルを提案し、ねじれビレイヤー グラフェンで観測された異常ゼーマン効果を説明する。これは基底面結合によって誘導される Chern バンドに起因する。バンド幅が増加するに従い、スピン・バリオリティ極化絶縁体からバリオリティ未極化金属への相転移が明らかになる。また、相互作用の異方性が高くなると、励起子のヴォルテックス格子が形成される。これは Chern 数の制約により、標準的な量子ホールフェロ磁性とは対照的である。

ABSTRACT

We use a lowest Landau level model to study the recent observation of an anomalous Hall effect in twisted bilayer graphene. This effective model is rooted in the occurrence of Chern bands which arise due to the coupling between the graphene device and its encapsulating substrate. Our model exhibits a phase transition from a spin-valley polarized insulator to a partial or fully valley unpolarized metal as the bandwidth is increased relative to the interaction strength, consistent with experimental observations. In sharp contrast to standard quantum Hall ferromagnetism, the Chern number structure of the flat bands precludes an instability to an inter-valley coherent phase, but allows for an excitonic vortex lattice at large interaction anisotropy.

研究の動機と目的

• 実験的に観測されたねじれビレイヤー グラフェンにおける異常ゼーマン効果を理論的モデルで説明すること。
• 基底面由来の結合によって生じる Chern バンドが、特異な量子相を安定化させる役割を調査すること。
• バンド幅と相互作用強度が絶縁体状態と金属状態の遷移に与える影響を特定すること。
• Chern 数によるトポロジカル制約の下で、強い相関にもかかわらずバリオリティ間干渉相が存在しない理由を解明すること。
• 高相互作用異方性下で励起子のヴォルテックス格子が出現するという、新たな不安定化経路を同定すること。

提案手法

• ねじれビレイヤー グラフェンのフラットバンドを記述するため、基底 Landau 級有効モデルを用いる。
• 非ゼロの Chern 数を持つ Chern バンドを生成する基底面由来の結合を組み込む。
• バンド幅を相互作用強度に対して相対的に変化させた際の系の相図を分析する。
• 平均場理論を用いてスピン・バリオリティ極化と絶縁体-金属遷移を研究する。
• 大きな相互作用異方性下での励起子秩序の安定性を調査し、ヴォルテックス格子の形成を検討する。
• Chern 数からのトポロジカル制約を適用し、バリオリティ間干渉相の排除を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バンド幅と電子間相互作用の相乗効果が、ねじれビレイヤー グラフェンにおける絶縁体から金属への遷移をどのように駆動するか？
• RQ2 Chern バンド構造を考慮しても、強い相関にもかかわらずバリオリティ間干渉相が抑制される理由は何か？
• RQ3 高相互作用異方性下で、どのようなトポロジカルおよび相互作用駆動不安定性が出現するか？
• RQ4 基底面結合がどのようにして、異常ゼーマン効果を安定化させる Chern バンドを形成するか？
• RQ5 ねじれビレイヤー グラフェンの観測された量子相において、スピン・バリオリティ極化が果たす役割は何か？

主な発見

• モデルは、バンド幅が増加するに従い、スピン・バリオリティ極化絶縁体から部分的または完全にバリオリティ未極化金属への観測された相転移を再現する。
• Chern バンドトポロジーはバリオリティ間干渉相の形成を妨げ、この系が標準的な量子ホールフェロ磁性体とは異なることを示す。
• 相互作用の異方性が大きい場合、トポロジカル制約の下で励起子のヴォルテックス格子状態が安定な基底状態として出現する。
• バンド幅対相互作用比に応じて、スピン・バリオリティ極化と拡散金属状態との明確な競合が観測される。
• Chern 数構造はトポロジカル選択則として機能し、特定の秩序相を抑制するとともに、ヴォルテックス格子のような他の相を可能にする。
• 理論的枠組みは、ねじれビレイヤー グラフェンにおける異常ゼーマン効果の実験的観測をうまく説明している。