[論文レビュー] Electron spin resonance and collective excitations in magic-angle twisted bilayer graphene

Erin Morissette, Jiangxiazi Lin+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、抵抗率検出型電子スピン共鳴（ESR）を用いて、モーリー平坦バンドの半分-fill状態における魔法角ねじれバイレイヤーグラフェン（MATBG）の低エネルギー集団励起状態を直接観測した。著者らは、間層間スピン結合に関連するマイクロ波誘発共鳴を特定し、間層間交換相互作用やスピン剛性といった主要なパラメータを抽出した。また、反応が強く相関した「ディラック再生」およびアイソスピン秩序に起因することを確立した。

ABSTRACT

In a strongly correlated system, collective excitations contain key information regarding the electronic order of the underlying ground state. An abundance of collective modes in the spin and valley isospin channels of magic-angle graphene moiré bands has been alluded to by a series of recent experiments. However, direct observation of collective excitations has remained elusive due to the lack of a spin probe. In this work, we use a resistively-detected electron spin resonance technique to look for low-energy collective excitations in magic-angle twisted bilayer graphene. We report direct observation of collective modes in the form of microwave-induced resonance near half filling of the moiré flatbands. The frequency-magnetic field dependence of these resonance modes sheds light onto the nature of intervalley spin coupling, allowing us to extract parameters such as intervalley exchange interaction and spin stiffness. Two independent observations testify that the generation and detection of the microwave resonance relies on the strong correlation within the flat moiré energy band. First, the onset of robust resonance response coincides with the spontaneous flavor polarization at half moiré filling, and remains absent in the density range where the underlying Fermi surface is isospin unpolarized. Second, we performed the same resonance measurement on graphene monolayer and bilayer samples, including twisted bilayer with a large twist angle, where flatband physics is absent. We observe no indication of resonance response in these samples across a large range of carrier density, microwave frequency and power. A natural explanation is that the resonance response near the magic angle originates from "Dirac revivals" and the resulting isospin order.

研究の動機と目的

• 強相関性を示す魔法角ねじれバイレイヤーグラフェン（MATBG）における集団励起状態を直接プローブすること。これは、スピンプローブの欠如により、長らく検出が困難であった。
• 間層間スピン結合の性質を特定し、間層間交換相互作用やスピン剛性といったパラメータを抽出すること。
• マイクロ波誘発共鳴と平坦モーリー準位のアイソスピン秩序の出現との間の関連を確立すること。
• 非平坦バンド系と比較することで、共鳴応答が強い電子相関の特徴であることを検証すること。
• MATBGにおける超伝導性および相関絶縁体の理論モデルの主要パラメータである間層間フーンズ相互作用の符号および大きさに関する曇りを解消すること。

提案手法

• ホールバー構造のデバイスで、マイクロ波誘発変化を抵抗率（$R_{xx}$）の変化として検出する抵抗率検出型電子スピン共鳴（ESR）を用いた。
• 1–30 GHzのマイクロ波放射を同心線を介して印加し、面内磁場（$B_{ot}$）を加え、低温（50 mK）で$R_{xx}$応答を測定した。
• 高速なマイクロ波駆動変化をゆっくりとした背景変動から分離するために、ハイパスフィルタリング（$R_{xx}^{HP}$）を用いた。
• 特に$ \nu = 2.8$および$ \nu = -2$付近でのモーリー準位のフイルイング因子（$\nu$）にわたる周波数および磁場依存の共鳴応答をマッピングした。
• 平坦バンド物理学が存在しない大角度ねじれのモノレイヤーグラフェンおよびバイレイヤーグラフェンで制御実験を実施し、誤検出応答を除外した。
• 共鳴周波数と磁場の依存関係を解析し、結合したスピンモードのモデルを用いてスピン剛性（$J$）および間層間交換相互作用（$J_H$）を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 魔法角ねじれバイレイヤーグラフェンの平坦モーリー準位における集団励起状態の性質は何か？ そして、それらは直接観測可能か？
• RQ2 マイクロ波誘発共鳴応答は電子フイルイングにどのように依存し、その背後にあるアイソスピン秩序の性質を何を明らかにするか？
• RQ3 間層間スピン結合は集団モードの出現にどのような役割を果たすか？ また、間層間交換相互作用（$J_H$）は実験的に抽出可能か？
• RQ4 観測された共鳴は強い電子相関のサインであるか？ そして、それは「ディラック再生」と「フレーバー極化」と関連づけられるか？
• RQ5 非平坦バンド系では共鳴が観測されないのはなぜか？ これにより信号の起源はどのような意味を持つのか？

主な発見

• $\nu = 2.8$で明確なマイクロ波誘発共鳴が観測された。これは、モーリー平坦バンドの半分-fill状態における自発的フレーバー極化の開始と一致した。
• 共鳴モードの周波数-磁場依存性は、集団スピン励起状態に一致する線形分散を示し、スピン剛性（$J$）および間層間交換相互作用（$J_H$）の抽出が可能となった。
• 大角度ねじれのモノレイヤーグラフェンおよびバイレイヤーグラフェンでは共鳴が観測されず、これは平坦バンド物理学および強い電子相関に起因するものであることを確認した。
• $\nu = -2$での共鳴は、$B=0$での負の切片を示し、反強磁性的結合に類似した性質を示し、$g=2$および$g=4$モード構造と整合的であった。
• 絶縁体ユニット（IU）領域やホール側のIF1領域では共鳴が観測されず、これはディラック再生およびアイソスピン秩序の欠如と整合的であった。
• マイクロ波放射下での量子ホール効果状態の頑健性は、加熱効果が最小限であることを裏付け、共鳴が熱的効果ではなく多体集団モードに起因することを検証した。