[論文レビュー] Designing spin-textured flat bands in twisted graphene multilayers via helimagnet encapsulation

Guangze Chen, Maryam Khosravian+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Graphene research and applications参考文献 74被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、スピン軌道結合に依存せずに、近接効果による交換結合を通じてスピン構造を有するフラットバンドを設計する手法として、ねじれステップバイグラフェン（TBG）におけるヘリマグネティックカプセル化を提案する。著者らは、さまざまなヘリマグネティック波長および整列条件においても、頑健なスピン構造を示しており、得られるフラットバンドにおける異常超伝導不安定性を予測し、相関的モアレ量子状態を設計するための新たな道筋を確立する。

ABSTRACT

Twisted graphene multilayers provide tunable platforms to engineer flat bands and exploit the associated strongly correlated physics. The two-dimensional nature of these systems makes them suitable for encapsulation by materials that break specific symmetries. In this context, recently discovered two-dimensional helimagnets, such as the multiferroic monolayer NiI$_2$, are specially appealing for breaking time-reversal and inversion symmetries due to their nontrivial spin textures. Here we show that this spin texture can be imprinted on the electronic structure of twisted bilayer graphene by proximity effect. We discuss the dependence of the imprinted spin texture on the wave-vector of the helical structure, and on the strength of the effective local exchange field. Based on these results we discuss the nature of the superconducting instabilities that can take place in helimagnet encapsulated twisted bilayer graphene. Our results put forward helimagnetic encapsulation as a powerful way of designing spin-textured flat band systems, providing a starting point to engineer a new family of correlated moire states.

研究の動機と目的

• 2次元ヘリマグネティック材料（例：モノレイヤーNiI2）を用いて、ねじれステップバイグラフェン（TBG）における時間反転対称性および空間反転対称性を破る可能性を検討すること。
• ヘリマグネティックのスピン構造が、近接交換結合を通じてどのようにTBGの電子バンドにインプリントされるかを調査すること。
• ヘリマグネティックの波数ベクトルおよびグラフェン格子との整列条件が変化する条件下でも、インプリントされたスピン構造の頑健性を評価すること。
• ヘリマグネティックカプセル化が、TBGのフラットバンド領域における超伝導不安定性に与える影響を分析すること。
• ヘリマグネティックカプセル化を、ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造におけるスピン構造を有する強相関的モアレ状態を設計するための新規プラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 1.44°のねじれ角を有するTBG系を、層間 hopping を距離および減衰パラメータに依存して変調するtight-bindingハミルトニアンを用いてモデル化し、フラットバンド領域に近い状態を扱う。
• 各グラフェン層における空間的に変化する磁化ベクトルを有する有効交換場項を導入することで、ヘリマグネティックカプセル化をハミルトニアンに組み込む。
• ヘリマグネティック秩序を波数ベクトル q およびサブラティス A と B 間の相対回転角 θ₀ を用いて定義し、上部と下部の磁性体間で反強磁性的整列を仮定する。
• 実空間におけるtight-bindingアプローチを用い、有効交換場 J₀M_l(i)·σ の効果を含めたバンド構造を計算する。
• 計算効率を向上させるために、t₀⊥ = 0.3t のスケーリング関係を適用しつつ、主要な物理的性質を保持する。
• J₀、q、θ₀ の異なる値に対して、得られたバンド構造およびスピン構造を分析し、頑健性および対称性の破れを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリマグネティックカプセル化は、内在的スピン軌道結合を必要とせずに、ねじれステップバイグラフェンのフラットバンドにスピン構造を誘起できるか？
• RQ2 ヘリカル磁性秩序の波数ベクトル q および有効交換場の強さに依存して、スピン構造はどのように変化するか？
• RQ3 ヘリマグネティックスーパーラティスとグラフェンサブラティスの非整列状態に対しても、スピン構造を有するバンド形成は頑健か？
• RQ4 インプリントされたスピン構造は、フラットバンド領域における超伝導ペア形成の不安定性にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 ヘリマグネティックカプセル化は、新たな相関的モアレ量子相を設計するための実用的で、対称性を破るメカニズムとして有効であるか？

主な発見

• スピン軌道結合を必要としない条件下でも、ヘリマグネティックへの近接結合を通じて、ねじれステップバイグラフェンのフラットバンドにスピン構造が成功裏にインプリントされた。
• 短波長および長波長のヘリマグネティック波長、およびグラフェン格子との異なる整列条件に対しても、スピン構造は頑健である。
• 交換結合強度 J₀ = 0.033t₀ および相対回転角 θ₀ = π の場合、バンド構造に明確なスピン分離および非自明なスピン構造が観察された。
• 有効交換場は、運動量に依存するスピン構造を誘導し、時間反転対称性および空間反転対称性の両方を破った。
• フラットバンド領域において、設計されたスピン構造に起因する異常超伝導不安定性が、系に存在した。
• 本結果は、ヘリマグネティックカプセル化が、ねじれグラフェンマルチレイヤーにおけるスピン構造を有するフラットバンドを設計するための実用的で調整可能な手法であることを示している。