[論文レビュー] Gate-Tunable Mott Insulator in Trilayer Graphene-Boron Nitride Moir\'e Superlattice

Guorui Chen, Lili Jiang+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2018

Graphene research and applications被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、モアレスーパーラティスを形成するABC三層グラフェン/六方窒化硼( h-BN )ヘテロ構造において、ゲートでチューニング可能なモット絶縁体を実現した。狭いゲートでチューニング可能なミニバンドは、スピンおよびバルクデグレーダシーに起因してモアレ格子サイトあたり4つの電子を有し、1/4および1/2の充満度でモット絶縁体状態が出現する。モットギャップは垂直ゲートによって電気的にチューニング可能であり、電子ドーピングの制御および異なるモット絶縁体状態間の遷移をインサイト制御で可能にする。

ABSTRACT

Mott insulator plays a central role in strongly correlated physics, where the repulsive Coulomb interaction dominates over the electron kinetic energy and leads to insulating states with one electron occupying each unit cell. Doped Mott insulator is often described by the Hubbard model, which can give rise to other correlated phenomena such as unusual magnetism and even high temperature superconductivity. A tunable Mott insulator, where the competition between the Coulomb interaction and the kinetic energy can be varied in situ, can provide an invaluable model system for the study of Mott physics. Here we report the realization of such a tunable Mott insulator in the ABC trilayer graphene (TLG) and hexagonal boron nitride (hBN) heterostructure with a Moir\'e superlattice. Unlike massless Dirac electrons in monolayer graphene, electrons in pristine ABC TLG are characterized by quartic energy dispersion and large effective mass that are conducive for strongly correlated phenomena. The Moir\'e superlattice in TLG/hBN heterostructures leads to narrow electronic minibands that are gate-tunable. Each filled miniband contains 4 electrons in one Moir\'e lattice site due to the spin and valley degeneracy of graphene. The Mott insulator states emerge at 1/4 and 1/2 fillings, corresponding to one electron and two electrons per site, respectively. Moreover, the Mott states in the ABC TLG/hBN heterostructure exhibit unprecedented tunablility: the Mott gap can be modulated in situ by a vertical electrical field, and at the mean time the electron doping can be gate-tuned to fill the band from one Mott insulating state to another. Our observation of a tunable Mott insulator opens up tremendous opportunities to explore novel strongly correlated phenomena in two-dimensional Moir\'e superlattice heterostructures.

研究の動機と目的

• 2次元モアレスーパーラティス系においてチューナブルなモット絶縁体を実現すること。
• ゲートでチューニング可能なプラットフォームにおいて、電子相関と運動エネルギーの相乗作用を調査すること。
• 三層グラフェン/h-BNヘテロ構造における特定の充満度でモット絶縁体状態がどのように出現するかを調査すること。
• 強く相関する物理学をプローブするために、モットギャップと電子ドーピングのインサイト制御を可能にすること。

提案手法

• ABC三層グラフェン/六方窒化硼( h-BN )ヘテロ構造を設計し、狭い電子ミニバンドを有するモアレスーパーラティスを形成する。
• 垂直電界を印加し、モットギャップをチューニングする二重ゲートフィールド効果デバイス構造を用いる。
• ミニバンドの1/4および1/2充満度における絶縁状態を特定するために電気的輸送を測定する。
• ABC三層グラフェンの大きな有効質量と四次式エネルギー分散を活用し、電子相関効果を強化する。
• スピンおよびバルクデグレーダシーを活用して、モアレ単位胞あたり4つの電子を達成する。
• ゲート電圧スイープを用いて絶縁ギャップおよびバンド充満度の変化をモニタリングし、チューナブルなモット遷移を観測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三層グラフェン/h-BNモアレスーパーラティスにおいて、モット絶縁体が実現可能であり、電気的にチューニング可能か？
• RQ2 狭いミニバンドを有する相関電子系において、外部ゲート電圧がモットギャップにどのように応答するか？
• RQ3 1/4および1/2の電子充満度が、この系におけるモット絶縁体状態の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 ドーピングをゲート制御で行うことで、異なるモット絶縁体状態の間を切り替えられるか？
• RQ5 スピンおよびバルク自由度は、モアレミニバンドにおける相関絶縁体状態の形成にどのように寄与するか？

主な発見

• ABC三層グラフェン/h-BNヘテロ構造において、狭いモアレミニバンドの1/4および1/2充満度でモット絶縁体状態が出現する。
• 垂直ゲートを用いることでモットギャップが電気的にチューニング可能であり、絶縁状態のインサイト制御を実証した。
• 各満たされたミニバンドには、スピンおよびバルクデグレーダシーに起因してモアレ格子サイトあたり4つの電子が存在する。
• 本系はゲートでチューニング可能な電子ドーピングをサポートしており、異なるモット絶縁体状態間の遷移を可能にする。
• ABC三層グラフェンの大きな有効質量と四次式分散は電子相関効果を強化し、モット絶縁体の形成を促進する。
• モットギャップおよびバンド充満度のチューナブルな性質により、2次元モアレ系における強く相関する現象を研究するための多様なプラットフォームが提供される。