[論文レビュー] Non-Monotonic Temperature Dependence of Coulomb Drag Peaks in Graphene

Derek Y. H. Ho, Indra Yudhistira+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、グラフェンにおけるクーロンdragピークの非単調な温度依存性を説明するため、キャリア密度の空間的非一様性を考慮した有効中間理論を提案する。これは、均一な理論モデルと実験データの間の長年の不一致を解消するものである。モデルは非卒調drag挙動と二重チャージネutralityにおける負の運動量dragを明らかにするとともに、相関した密度フラクチュエーション下でのオンザーガー対称性の破綻を予測する。

ABSTRACT

Coulomb drag is a direct measurement of the electron-electron interactions between two electronic layers. Graphene is a versatile electronic material with a high-degree of tunability opening up regimes that were not previously accessible. All previous theoretical studies of graphene Coulomb drag away from charge neutrality assume a spatially homogeneous carrier density which gives a peak in the Coulomb drag that decreases with temperature in contradiction to available experimental results. In this work, we develop an effective medium theory for Coulomb drag and show that including spatial inhomogeneity in the carrier density gives rise to a non-monotonic temperature dependence of the drag peaks that is in quantitative agreement with experimental data. Our results also show that at double-charge neutrality, there is a large negative momentum drag for correlated density fluctuations that competes with energy drag and is also non-monotonic with temperature. In addition, we show that when the density fluctuations in the two layers are correlated, the disordered theory has less symmetry than the homogeneous case, giving rise to a violation of Onsager reciprocity between the active and passive layers.

研究の動機と目的

• 理論的予測である温度上昇に伴うdragの単調な減衰と、実験的に観察されたグラフェンにおける非単調dragピークの間の矛盾を解消すること。
• 従来の均一モデルに欠如しているキャリア密度の空間的非一様性を組み込んだ理論的枠組みを構築すること。
• アクティブ層とパッシブ層の間のオンザーガー対称性の破綻に寄与する相関密度フラクチュエーションの役割を調査すること。
• 二重チャージネutralityにおける大きな負の運動量dragの発生とその温度依存性を説明すること。
• 実験的に観察されたクーロンdragピークの非単調な温度依存性を定量的に説明すること。

提案手法

• 空間的非一様キャリア密度を有するグラフェンにおけるクーロンdragをモデル化するための有効中間理論を構築する。
• 両層における相関した密度フラクチュエーションを扱うために、不純物平均化アプローチを導入する。
• エネルギーおよび運動量drag寄与を計算するために線形応答形式を用いる。
• 不純物系の対称性特性を分析し、対称性の破綻による対称性違反の程度を評価する。
• 理論的予測と実験データを比較することで、非単調な温度依存性の妥当性を検証する。
• 運動量dragが負になり、温度依存性が非単調となる条件を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜグラフェンにおけるクーロンdragピークは、均一理論的予測とは対照的に非単調な温度依存性を示すのか？
• RQ2 キャリア密度の空間的非一様性は、グラフェンにおけるクーロンdragの温度依存性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 グラフェンにおける二重チャージネutralityにおける負の運動量dragの起源と大きさは何か？
• RQ4 二つのグラフェン層間のクーロンdragにおいて、オンザーガー対称性が破綻する条件は何か？
• RQ5 両層における相関した密度フラクチュエーションは、系の対称性および輸送特性をどのように変化させるか？

主な発見

• キャリア密度の空間的非一様性を組み込むことで、実験観察と定量的に一致するクーロンdragピークの非単調な温度依存性が得られる。
• 二重チャージネutralityにおいて、大きな負の運動量dragが出現し、これも温度依存性が非単調であり、エネルギーdragと競合する。
• 相関した密度フラクチュエーションにより、不純物系の対称性が破られ、アクティブ層とパッシブ層間のオンザーガー対称性が破綻する。
• 有効中間理論は、均一モデルが失敗する実験dragデータをうまく再現する。
• 理論は、特定の条件下で運動量dragが負になることを明らかにし、運動量移動の方向が逆転することを示唆する。
• 対称性の破綻は、相関フラクチュエーションによる不純物系の対称性喪失に直接関連している。