[論文レビュー] Electric field control of spins in bilayer graphene: Local moment formation and local moment interactions

Matthew Killi, Dariush Heidarian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2011

Quantum and electron transport phenomena参考文献 48被引用数 35

ひとこと要約

本稿は、平均場アンダーソン準粒子模型を用いて、二層グラフェン（BLG）における局所スピンモーメントの電場制御およびそれらの相互作用を調査する。垂直方向の電場を印加することで、BLGのバンドギャップ内での準粒子エネルギー準位を調整することにより、局所スピンモーメントのオン／オフ切り替えが可能であることが示されるとともに、バンド構造の工学的制御によりRKKY相互作用の動的制御も可能である。

ABSTRACT

We study local moment formation for adatoms on bilayer graphene (BLG) within a mean-field theory of the Anderson impurity model. The wavefunctions of the BLG electrons induce strong particle-hole asymmetry and band dependence of the hybridization, which is shown to result in unusual features in the impurity model phase diagram. We also study the effect of varying the chemical potential, as well as varying an electric field perpendicular to the bilayer; the latter modifies the density of states of electrons in BLG and, more significantly, shifts the impurity energy. We show that this leads to regimes in the impurity phase diagram where local moments can be turned on or off by applying modest external electric fields. Finally, we show that the RKKY interaction between local moments can be varied by tuning the chemical potential (as has also been suggested in monolayer graphene) or, more interestingly, by tuning the electric field so that it induces changes in the band structure of BLG.

研究の動機と目的

• 二層グラフェンのプラケット中心アトムにおける局所スピンモーメント形成が、電子状態および外部場によってどのように影響を受けるかを理解すること。
• 粒子・空孔非対称性およびバンド依存性の混合が、準粒子位相図に与える役割を調査すること。
• 二層グラフェンに垂直方向の外部電場を印加することで、準粒子エネルギーを調整し、局所スピンモーメント形成を制御できるかを検討すること。
• 化学ポテンシャルや電場の調整によって、局所スピンモーメント間のRKKY相互作用がどのようにチューニング可能かを検討すること。
• 二層グラフェンの特異なバンド構造の効果を明確にするために、キラルでないモデル系と比較し、BLG固有の性質を分離すること。

提案手法

• 二層グラフェン上のプラケット中心アトムを対象としたアンダーソン準粒子模型を定式化し、バンド構造、混合、電子間相互作用を組み込む。
• 自己エネルギー補正（運動量およびバンド依存性を有する）を含めた平均場理論を用いて、準粒子模型を解く。
• 最近接項および層間 hopping（t = 1, t⊥ ≈ 0.15t）を含む最小限のタイトバインディング模型を用いて、電子分散を記述する。
• 垂直方向の電場（バイアス）を導入し、バンドの分裂と準粒子エネルギーのシフトを引き起こし、有効な化学ポテンシャルを制御可能にする。
• 化学ポテンシャルとバイアスをスキャンすることで位相図を構築し、局所スピンモーメント形成およびクーロン遮蔽領域を特定する。
• バンド構造や運動量依存性が存在しないが状態密度は同じである架空の非キラル系と比較することで、キラル効果を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直方向の外部電場を用いて、二層グラフェンにおける局所スピンモーメントをオン／オフに切り替えられるか？
• RQ2 二層グラフェンのキラルでバンド依存性のある混合は、従来の系と比較して局所スピンモーメント形成にどのように影響を与えるか？
• RQ3 粒子・空孔非対称性およびバンド構造は、二層グラフェンにおけるアンダーソン準粒子模型の位相図を決定づける役割を果たすか？
• RQ4 化学ポテンシャルや電場の調整によって、局所スピンモーメント間のRKKY相互作用をどのようにチューニングできるか？
• RQ5 二層グラフェン特有の波動関数は、非自明な自己エネルギーおよびスペクトルピークの再正規化を引き起こす程度はどの程度か？

主な発見

• 垂直方向の電場を印加することで、準粒子エネルギー準位がシフトし、微小な電場変化でも局所スピンモーメントのオン／オフ切り替えが可能である。
• 有限なUが存在する限り局所スピンモーメントが形成される領域が存在し、これは準粒子準位がバンドギャップ中央に位置する場合に位相図で特定可能である（クーロン遮蔽効果に起因）。
• キラルな波動関数と運動量依存性混合のため、自己エネルギーは非自明な周波数依存性を示し、大きな実部を有し、スペクトルピーク位置を再正規化する。
• 位相図は、従来の系とは異なり、強い粒子・空孔非対称性およびバンド依存性を示す。これは二層グラフェンの準粒子がキラルであることに起因する。
• 化学ポテンシャルの調整または電場による二層グラフェンバンド構造の変化により、局所スピンモーメント間のRKKY相互作用をチューニング可能である。
• 非キラル系との比較から、キラル混合およびバンド構造が、観察された非自明な位相図的特徴を決定づけることが確認された。