[論文レビュー] Interaction-driven spontaneous broken-symmetry insulator and metals in ABCA tetralayer graphene

Kai Liu, Jian Zheng+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、近接場赤外イメージングと量子輸送を用いて、ABC Aスタック型四層グラフェンにおいて、電子間相互作用駆動の自発的対称性破れ状態を実証した。零キャリア密度および零電界変位場における15 meVの層反強磁性絶縁体状態が同定され、キャリア密度と電界変位場の同時制御により、層偏極絶縁体およびアイソスピン偏極金属へのチューナブルな遷移が実現された。これらの結果は、クーロン相互作用によって駆動される対称性破れ相を研究するためのチューナブルなプラットフォームとして、多層グラフェンの可能性を確立するものである。

ABSTRACT

Interactions among charge carriers in graphene can lead to the spontaneous breaking of multiple degeneracies. When increasing the number of graphene layers following rhombohedral stacking, the dominant role of Coulomb interactions becomes pronounced due to the significant reduction in kinetic energy. In this study, we employ phonon-polariton assisted near-field infrared imaging to determine the stacking orders of tetralayer graphene devices. Through quantum transport measurements, we observe a range of spontaneous broken-symmetry states and their transitions, which can be finely tuned by carrier density n and electric displacement field D. Specifically, we observe a layer antiferromagnetic insulator at n = D = 0 with a gap of approximately 15 meV. Increasing D allows for a continuous phase transition from a layer antiferromagnetic insulator to a layer polarized insulator. By simultaneously tuning n and D, we observe isospin polarized metals, including spin-valley-polarized and spin-polarized metals. These transitions are associated with changes in Fermi surface topology and are consistent with the Stoner criteria. Our findings highlight the efficient fabrication of specially stacked multilayer graphene devices and demonstrate that crystalline multilayer graphene is an ideal platform for investigating a wide range of broken symmetries driven by Coulomb interactions.

研究の動機と目的

• 特殊にスタックされた多層グラフェンにおける電子-電子相互作用が自発的対称性破れを引き起こす役割を調査すること。
• 強相関が生じるABC A四層グラフェンにおいて、新たな量子相（絶縁体や金属など）を同定・特徴付けること。
• キャリア密度と電界変位場の独立的制御により、これらの相のチューナビリティを調査すること。
• 結晶性多層グラフェンを、クーロン相互作用によって駆動される顕在的量子臨界現象を研究する強固なプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 四層グラフェンデバイスのスタック順序を明確に同定するために、フォノン・ポラリトンを助ける近接場赤外イメージングを用いた。
• キャリア密度（n）および電界変位場（D）を関数として、電子的相を調べるために量子輸送測定を実施した。
• 局所的電子的応答をマップし、対称性破れ状態を確認するために、空間分解能を有する赤外分光法を用いた。
• フェルミ面トポロジーの変化に基づき、偏極金属的状態の出現を分析するために、ストーナー基準を適用した。
• nとDを体系的にチューニングし、絶縁体および金属的対称性破れ状態間の相境界をマップした。
• 実験データをスピン・バリエーションおよび層偏極状態の理論的期待と照合し、観測された遷移を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ABC Aスタック型四層グラフェンにおいて、電子-電子相互作用によってどのような自発的対称性破れ状態が生じるか？
• RQ2 キャリア密度と電界変位場が、異なる対称性破れ相間の遷移をどのようにチューニングするか？
• RQ3 零キャリア密度および零電界変位場における絶縁体状態の性質は何か？そのエネルギーギャップは？
• RQ4 フェルミ面トポロジーの変化とアイソスピン偏極金属的状態の出現との相関は何か？
• RQ5 ストーナー基準は、この系における観測された相転移をどの程度説明できるか？

主な発見

• 零キャリア密度および零電界変位場における15 meVの層反強磁性絶縁体状態が観測され、強い相関効果を示した。
• 電界変位場を増加させることで、層反強磁性絶縁体から層偏極絶縁体への連続的相転移が達成された。
• キャリア密度と電界変位場の同時チューニングにより、スピン・バリエーション偏極金属およびスピン偏極金属を含むアイソスピン偏極金属的状態が観測された。
• 相転移に伴いフェルミ面トポロジーの測定可能な変化が観察され、磁気不安定性のストーナー基準と整合的であった。
• 実験的相図は、絶縁体および金属的状態を含む多様な対称性破れ状態の豊かな状態を明らかにし、電気的ゲーティングによってチューナブルであることが示された。
• 近接場赤外イメージングと輸送測定の組み合わせにより、デバイスにおけるスタック順序および電子的相の明確な同定が可能になった。