[論文レビュー] Orbital Multiferroicity in Pentalayer Rhombohedral Graphene

Tonghang Han, Zhengguang Lu+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2023

Multiferroics and related materials参考文献 40被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、pentalayer rhombohedral graphene における軌道性マルチフェロイシティを報告し、谷-磁化の四重体と、電場によって調整可能なフェローバレー秩序が E·B に結合することを示す。

ABSTRACT

Ferroic orders describe spontaneous polarization of spin, charge, and lattice degrees of freedom in materials. Materials featuring multiple ferroic orders, known as multiferroics, play important roles in multi-functional electrical and magnetic device applications. 2D materials with honeycomb lattices offer exciting opportunities to engineer unconventional multiferroicity, where the ferroic orders are driven purely by the orbital degrees of freedom but not electron spin. These include ferro-valleytricity corresponding to the electron valley and ferro-orbital-magnetism supported by quantum geometric effects. Such orbital multiferroics could offer strong valley-magnetic couplings and large responses to external fields-enabling device applications such as multiple-state memory elements, and electric control of valley and magnetic states. Here we report orbital multiferroicity in pentalayer rhombohedral graphene using low temperature magneto-transport measurements. We observed anomalous Hall signals Rxy with an exceptionally large Hall angle (tanΘH > 0.6) and orbital magnetic hysteresis at hole doping. There are four such states with different valley polarizations and orbital magnetizations, forming a valley-magnetic quartet. By sweeping the gate electric field E we observed a butterfly-shaped hysteresis of Rxy connecting the quartet. This hysteresis indicates a ferro-valleytronic order that couples to the composite field E\cdot B, but not the individual fields. Tuning E would switch each ferroic order independently, and achieve non-volatile switching of them together. Our observations demonstrate a new type of multiferroics and point to electrically tunable ultra-low power valleytronic and magnetic devices.

研究の動機と目的

• 2D ハニーボム材料における軌道自由度による多重フェロイシティの発見を動機づける。
• pentalayer rhombohedral graphene における低温磁気輸送を通じた軌道性マルチフェロイシティの実証。
• ゲート電場が谷および軌道磁化状態をどう制御できるかを示す。
• フェロ磁性秩序と組成場 E·B への結合を、E や B の単独ではなく、組合せ場へ結びつける。

提案手法

• pentalayer rhombohedral graphene に対する低温磁気輸送測定を用いる。
• ホール角が大きい異常ホール信号（tan ΘH > 0.6）とホール効果周囲での軌道磁気ヒステリシスをホールドーピングで観測。
• 谷極性/軌道磁化状態の四つの状態を同定し、谷-磁気四重体を形成。
• ゲート電場 E を掃引して quartet を結ぶ Rxy の蝶形ヒステリシスを現出。
• ヒステリシスを、フェローバレー秩序が E·B にカップリングすることによるものであり、電場スイッチングを可能にする解釈。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2D ハニーボム系において軌道自由度だけで多重フェロイシティを駆動できるのか。
• RQ2 pentalayer rhombohedral graphene において谷極性と軌道磁化は controllable な四重体を形成するのか。
• RQ3 外部電場ゲートはフェローバレー秩序とその磁場カップリングにどのように影響するのか。
• RQ4 E フィールド調整を介して谷と軌道状態を非揮発的に制御するデバイス適用可能な方法はあるのか。

主な発見

• 異なる谷偏極と軌道磁化を持つ4つの状態が谷-磁気四重体を形成している。
• ホールドロッピング時の異常ホール信号と大きなホール角（tan ΘH > 0.6）および軌道磁気ヒステリシスを観測。
• ゲート電場 E を掃引すると、 quartet を結ぶ Rxy に蝶形ヒステリシスが現れる。
• フェロイック秩序は E だけでも B だけでもなく、複合場 E·B にカップリングする。
• 電場 E を調整することで各フェロイック秩序を独立してスイッチ可能となり、潜在的な非揮発性制御が可能になる。