[論文レビュー] Spin-orbit driven ferromagnetism at half moir\'e filling in magic-angle twisted bilayer graphene

Jiangxiazi Lin, Yahui Zhang+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Graphene research and applications参考文献 45被引用数 145

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）を用いた魔法の角度歪みヘテロ構造であるtBLGで、スピン軌道相互作用（SOC）駆動の強磁性が示された。近接効果によるSOCが、半モアレ充填状態におけるモット的絶縁体を、磁場や電場を用いて調整可能な強固な強磁性体に変換する。その証拠として、ヒステリックな異常ホール効果と、面内または垂直方向の電場・磁場による磁性の調整が得られた。観察された強磁性は、非ゼロのチーン数を持つバルク状態に由来し、モアレ系におけるトポロジカル工学を可能にする。

ABSTRACT

Strong electron correlation and spin-orbit coupling (SOC) provide two non-trivial threads to condensed matter physics. When these two strands of physics come together, a plethora of quantum phenomena with novel topological order have been predicted to emerge in the correlated SOC regime. In this work, we examine the combined influence of electron correlation and SOC on a 2-dimensional (2D) electronic system at the atomic interface between magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) and a tungsten diselenide (\WSe) crystal. In such a structure, strong electron correlation within the moir\'e flatband stabilizes correlated insulating states at both quarter and half-filling, whereas SOC transforms these Mott-like insulators into ferromagnets, evidenced by robust anomalous Hall effect with hysteretic switching behavior. The coupling between spin and valley degrees of freedom is unambiguously demonstrated as the magnetic order is shown to be tunable with an in-plane magnetic field, or a perpendicular electric field. In addition, we examine the influence of SOC on the isospin order and stability of superconductivity. Our findings establish an efficient experimental knob to engineer topological properties of moir\'e bands in twisted bilayer graphene and related systems.

研究の動機と目的

• 魔法の角度歪みヘテロ構造（tBLG）における電子相関とスピン軌道相互作用（SOC）の相乗作用を、tBLG/WSe2界面で解明すること。
• 近接効果によるSOCが、通常はバルク間のハンズ結合によって抑制される半モアレ充填状態における強磁性秩序を安定化できるかどうかを特定すること。
• 面内磁場および垂直方向電場を用いた磁性およびトポロジカル秩序の調整可能性を調査すること。
• SOCが相関モアレ系におけるイソスピン秩序および超伝導の安定性に与える影響を検討すること。

提案手法

• hBNとグラファイトでカプセル化されたtBLGを用いたvan der Waalsヘテロ構造の作製。さらに、強い近接効果によるスピン軌道相互作用を誘発するため、数層のWSe2でキャップ処理を行う。
• ミリケルビン温度での輸送測定により、キャリア密度、磁場、ゲート電圧を関数として、縦方向（Rxx）および横方向（Rxy）抵抗を測定する。
• 垂直方向および面内磁場を適用し、磁気ヒステリシスおよびスピン・バルクロックを調査する。
• トップゲートおよびバックゲートを備えたデュアルゲート構造を用い、キャリア密度（ntBLG）および電場（D）を調整することで、イソスピンおよびバルク自由度を制御する。
• ランドー準位のファンダイアグラムおよびホール抵抗のヒステリシスループの解析により、チーン数を抽出し、トポロジカル相転移を同定する。
• イゾンおよびラシュバ型のスピン軌道相互作用項（λI, λR）を含むモアレバンド構造の理論的モデリングにより、観測された非ゼロのバルクチーン数および磁性秩序を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近接効果によるスピン軌道相互作用が、通常はバルク間ハンズ結合によって抑制される半モアレ充填状態における強磁性秩序を安定化できるか？
• RQ2 電子相関とSOCの組み合わせが、非ゼロのチーン数を持つバルク極化状態およびトポロジカルに非自明な状態をどのように生成するか？
• RQ3 面内磁場または垂直方向電場を用いた磁性秩序の調整範囲はどの程度か。また、これによりスピン・バルクロックの性質がどのように明らかになるか？
• RQ4 SOCが、相関絶縁体相における超伝導ペアリングの安定化または不安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 観察された異常ホール効果およびそのヒステリックなスイッチング挙動は、強磁性秩序の出現をどのように裏付けるか？

主な発見

• ν = +1およびν = +2で、ヒステリックなスイッチングを示す強力な異常ホール効果が観測され、近接効果によるSOCが半モアレ充填状態における強磁性秩序の出現を示唆している。
• 磁性秩序が軌道的強磁性であることが、大きな面内磁場を加えるとν = +2における抵抗ピークが消失することにより確認され、スピン極化が解除される。
• ヒステリックなホール抵抗ループは、温度が上昇（T > 4 K）すると消失し、異常ホール信号の磁気的起源を確認する。
• 面内磁場を用いた磁性秩序の調整が可能であり、ν = +2におけるホール抵抗ヒステリシスの符号反転が観測され、スピン・バルクロックおよび非ゼロのバルクチーン数と整合的である。
• ν = +2における観測されたチーン数はCnet = -2であり、これは2つの最低準位の伝導帯（バルクインデックスKおよびK'）がそれぞれチーン数C = -3および+1を有することに起因する。
• 残留体積電導度のため、磁性ヒステリシスループのサイズは小さいが、チーンギャップが完全に発達していないことを示しており、一方でホール抵抗の勾配は通常のホール成分と一致しており、部分的な絶縁的挙動を確認している。