[論文レビュー] Orbital Chern insulator domain walls and chiral modes in twisted bilayer graphene

Yves H. Kwan, Glenn Wagner+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2020

Graphene research and applications被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、魔性角交差スピン層グラフェンにおける充填度u=+3でのキラリックなドメイン壁を研究するための形式的枠組みを構築した。ここでは、整数量子ホール効果が観測される。2種類のキラリックドメイン壁—スピン保存型とスピン反転型—を特定し、均一な基板ではスピン反転型ドメイン壁が好まれるが、非均一な基板ポテンシャルではスピン保存型ドメイン壁が安定化されることを示した。これは輸送およびスキャンプローブ実験に影響を与える。

ABSTRACT

We consider magic-angle twisted bilayer graphene (TBG) at filling $ u=+3$, where experiments have observed a robust quantized anomalous Hall effect. This has been attributed to the formation of a valley- and spin-polarized Chern insulating ground state that spontaneously breaks time-reversal symmetry, and is stabilized by a hexagonal boron nitride (hBN) substrate. We develop a formalism for treating inhomogeneous moire systems and apply it to study domain walls between such fully-polarized regions. We identify two different types of chiral domain wall, distinguished by whether valley polarization remains unchanged or flips across the wall. Via Hartree-Fock calculations of domain-wall energies, we show that valley-switching walls are favoured in systems with uniform substrates, whereas valley-preserving walls are stabilized by spatially nonuniform substrate potentials. We comment on the implications of these results for transport and scanning probe experiments.

研究の動機と目的

• 魔性角交差スピン層グラフェンにおけるキラリックドメイン壁の性質を理解すること。ここでは、充填度u=+3で整数量子ホール効果が観測される。
• 基板ポテンシャルの構造—均一か非均一か—が異なるドメイン壁タイプの安定性に与える影響を調査すること。
• スピンおよびスピン極化が、異なるキラリックドメイン壁配置の安定化に果たす役割を特定すること。
• 不均一モアレ系を扱う理論的枠組みを提供し、相関のある2次元材料におけるドメイン壁をモデル化すること。
• これらのドメイン壁が輸送およびスキャンプローブ実験で観測可能なシグネチャを予測すること。

提案手法

• 空間的に変化するポテンシャルおよび電子相関を考慮した不均一モアレ系を扱う形式的枠組みを開発すること。
• ハートリー・フォック計算を用いて、基板ポテンシャルの存在下でのドメイン壁エネルギーを計算すること。
• 2種類のキラリックドメイン壁を区別する：スピン極化を保存するものと、壁を越えて反転するもの。
• 基板ポテンシャルを均一または空間的に非均一なものとしてモデル化し、ドメイン壁の安定性への影響を評価すること。
• 形式的枠組みを用いて、さまざまな基板条件下でのスピン保存型とスピン反転型ドメイン壁のエネルギー差を計算すること。
• 時間反転対称性の自発的破れが、キラリックエッジモードを有するチェルン絶縁体状態の安定化に果たす役割を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 魔性角交差スピン層グラフェンにおけるu=+3で、どのような種類のキラリックドメイン壁が形成可能か？
• RQ2 基板ポテンシャルの構造が、異なるドメイン壁タイプの安定性にどのように影響するか？
• RQ3 なぜ均一な基板を有する系ではスピン反転型ドメイン壁が好まれるのか？
• RQ4 どのような条件下でスピン保存型ドメイン壁が安定化されるのか？
• RQ5 これらのドメイン壁配置が、輸送およびスキャンプローブ測定にどのように影響するか？

主な発見

• 2種類の異なるキラリックドメイン壁が特定された：スピン極化を保存するものと、壁を越えて反転するもの。
• スピン反転型ドメイン壁は、均一な窒化ホウ素（h-BN）基板を有する系でエネルギー的に好まれる。
• スピン保存型ドメイン壁は、空間的に非均一な基板ポテンシャルによって安定化される。
• キラリックドメイン壁の形成は、チェルン絶縁体基底状態における時間反転対称性の自発的破れに関連している。
• 結果から、基板工学を用いることでキラリックドメイン壁の種類と安定性を制御できる可能性がある。
• これらのドメイン壁配置は、交差スピン層グラフェンにおける輸送およびスキャンプローブ実験の検証可能なシグネチャを提供する。