[論文レビュー] Spin and Orbital Metallic Magnetism in Rhombohedral Trilayer Graphene

Chunli Huang, Tobias Wolf+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Graphene research and applications被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、大きな垂直電界下におけるラホモルフィック三層グラフェンにおける運動量空間凝縮が、スピンおよび軌道金属的磁性を駆動することを提案しており、これによりスピン／バルク対称性の破れを介したフェルミ面再構築が生じる。主な結果として、小さな内側の穴状フェルミ面のコンactification（縮小化）がネマチック秩序を生じさせ、観測された量子振動周波数の分数化を説明し、部分的同型スピン偏極状態がバルク-XYネマチック金属であると特定する。

ABSTRACT

We provide a complete theoretical interpretation of the metallic broken spin/valley symmetry states recently discovered in ABC trilayer graphene (ABC) perturbed by a large transverse displacement field. Our conclusions combine insights from ABC trilayer graphene electronic structure models and mean field theory, and are guided by precise magneto-oscillation Fermi-surface-area measurements. We conclude that the physics of ABC trilayer graphene is shaped by the principle of momentum-space condensation, which favors Fermi surface reconstructions enabled by broken spin/valley flavor symmetries when the single-particle bands imply thin annular Fermi seas. We find one large outer Fermi surface enclosed majority-flavor states and one or more small inner hole-like Fermi surfaces enclosed minority-flavor states that are primarily responsible for nematic order. The smaller surfaces can rotate along a ring of van-Hove singularities or reconstruct into multiple Fermi surfaces with little cost in energy. We propose that the latter property is responsible for the quantum oscillation frequency fractionalization seen experimentally in some regions of the carrier-density/displacement-field phase diagram.

研究の動機と目的

• 大きな垂直電界下における実験的に観測されたABC三層グラフェンの金属的スピン／バルク対称性の破れ状態を説明すること。
• フェルミ面トポロジーと電子相関が、非代替的磁性およびネマチック相を安定化させる役割を明確にすること。
• キャリア密度／電界強度相図における量子振動周波数の分数化の起源を解明すること。
• SU(4)スピンバルク対称性の破れの文脈において、スピン偏極状態とバルク偏極状態を区別すること。
• ヴァン・ホーフェ・特異性を伴う低密度領域におけるネマチックおよび可能性のあるウィグナー結晶相の出現を予測すること。

提案手法

• 有効な電子構造モデルと平均場理論を組み合わせ、相関電子状態を記述する。
• フェルミ面トポロジーと対称性の破れパターンを推定するための主要制約として、磁気振動によるフェルミ面面積測定を用いる。
• 競合する磁性秩序をモデル化するため、クーロン相互作用を含むSU(4)スピンバルク対称ハミルトニアンを適用する。
• 単粒子バンドが薄い輪状フェルミ海を形成する場合に、フェルミ面再構築を促進する主要因として運動量空間凝縮を同定する。
• フェルミ面トポロジーを変化させるLifshitz遷移（ALTおよびSPLT）を分析し、電子パッチの形成や輪状構造の破壊を検討する。
• 全エネルギーおよび交換エネルギーの計算を通じて、秩序状態間のエネルギー差を評価し、1ホールあたり0.1 μeV未満の精度を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ABC三層グラフェンにおいて大きな電界下に置かれたスピンおよびバルク秩序金属的状態が形成される原因は何か？
• RQ2 相図の特定領域においてなぜ量子振動周波数が分数化するのか？
• RQ3 フェルミ面トポロジーと電子相関の相互作用がどのようにネマチック秩序を安定化させるのか？
• RQ4 SU(4)対称性フレームワークにおいて、なぜバルク-XYネマチック秩序がスピン偏極状態よりも好まれるのか？
• RQ5 少数ホールフェルミ面が低エネルギーコストでコンactified（縮小化）した非対称形状に再構築可能か？その影響は輸送性にどのように現れるか？

主な発見

• 部分的同型スピン偏極（PIP）状態は、小さな内側の穴状フェルミ面のコンactificationにより生じるバルク-XYネマチック金属であると特定された。
• フェルミ面再構築は運動量空間凝縮によって駆動され、少数フラバーのフェルミ面面積を最小化する状態を好む。
• 量子振動周波数の分数化は、低エネルギーコストで形成された複数の小さな内側フェルミ面による再構築に起因する。
• バルク-XYネマチック状態とスピン偏極状態のエネルギー差は1ホールあたり20 μeV未満であり、SU(4)対称性に起因するほぼ degenerate（簡約）状態であることを示唆する。
• 低電界領域ではスピン揺らぎが磁性秩序を抑制し、磁性がパラ磁性相へ徐々に消失する理由が説明された。
• 低密度領域ではウィグナー結晶相が形成可能であり、並進およびC3対称性を破るが、k空間におけるヴァン・ホーフェ特異性により、従来の六角晶構造よりもエネルギー的に有利である。