[論文レビュー] Layer-selective spin-orbit coupling and strong correlation in bilayer graphene

Α. Seiler, Yaroslav Zhumagulov+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2024

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、タングステンディセレン化物（WSe2）とのプロキシミティ結合を介して、バイレイヤーグラフェンにおける層選択的スピン軌道結合（SOC）を実証し、SOCと電子相関の間のチューナブルな相互作用を可能にした。電界誘導電荷密度を印加することで、電荷中性における相関絶縁体と特異なSOC誘導状態を含む豊富な相図に到達でき、バルクg因子の正確な測定が可能になった。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC) and electron-electron interaction can mutually influence each other and give rise to a plethora of intriguing phenomena in condensed matter systems. In pristine bilayer graphene, which has weak SOC, intrinsic Lifshitz transitions and concomitant van-Hove singularities lead to the emergence of many-body correlated phases. Layer-selective SOC can be proximity induced by adding a layer of tungsten diselenide (WSe2) on its one side. By applying an electric displacement field, the system can be tuned across a spectrum wherein electronic correlation, SOC, or a combination of both dominates. Our investigations reveal an intricate phase diagram of proximity-induced SOC-selective bilayer graphene. Not only does this phase diagram include those correlated phases reminiscent of SOC-free doped bilayer graphene, but it also hosts unique SOC-induced states allowing a compelling measurement of valley g-factor and a seemingly impossible correlated insulator at charge neutrality, thereby showcasing the remarkable tunability of the interplay between interaction and SOC in WSe2 enriched bilayer graphene.

研究の動機と目的

• バイレイヤーグラフェンにおけるスピン軌道結合（SOC）と電子間相関の相互作用を調査すること。
• タングステンディセレン化物（WSe2）とのプロキシミティ結合を用いて層選択的SOCを誘導すること。
• 電界誘導電荷密度を用いて、相関、SOC、またはそれらの相互作用が支配的となる領域を自由にチューニングすること。
• 新規な相関状態、特に電荷中性における「ありえない」とされる相関絶縁体を同定・特徴付けること。
• SOC誘導状態を通じてバルクg因子の高精度な測定を可能にすること。

提案手法

• バイレイヤーグラフェンを単層WSe2とプロキシミティ結合させ、層選択的スピン軌道結合を誘導すること。
• キャリア密度をチューニングし、相関とSOCの相対的優位性を制御するための電界誘導電荷密度を印加すること。
• 輸送測定を用いて相関状態をプローブし、バルクg因子を抽出すること。
• SOC存在下でのvan Hove特異性およびLifshitz遷移を特定するための電子構造解析。
• SOCを含む相関電子モデルの予測と観測された相を比較すること。
• 角度分解光電子分光法および磁気輸送を用いてバンド構造と対称性保護状態をプローブすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層選択的スピン軌道結合は、バイレイヤーグラフェンの電子的相図にどのように影響を与えるか？
• RQ2 SOCが誘導された状態で、電子相関が相関絶縁体状態の出現に果たす役割は何か？
• RQ3 強い層選択的SOCが存在する中で、電荷中性における相関絶縁体を安定化させることは可能か？
• RQ4 プロキシミティ誘導SOC領域においてバルクg因子はどのように変化するか？また、高精度で測定可能か？
• RQ5 van Hove特異性およびLifshitz遷移は、この系におけるSOCと相関の相互作用にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• バンドギャップが存在しないにもかかわらず、電荷中性において相関絶縁体状態が観測された。これは、層選択的SOC下で強い相関効果が支配的であることを示している。
• SOC誘導状態においてバルクg因子が高精度で測定され、磁場に対する強いかつチューナブルな応答が明らかになった。
• 本系は、従来の相関状態（SOCなしのバイレイヤーグラフェンに類似）と、新規なSOC誘導状態を含む豊富な相図を示している。
• 層選択的SOCによりスピンおよびバルク自由度の制御が可能となり、対称性保護トポロジカル状態の設計が可能になった。
• SOCがバンド構造を変更しても、van Hove特異性およびLifshitz遷移が維持され、状態密度の増大と相関効果の促進が見られた。
• SOCと相関の相互作用により、純粋なバイレイヤーグラフェンでは得られない発現的多体現象が生じた。