[論文レビュー] Spontaneous momentum polarization and diodicity in Bernal bilayer graphene

Jiangxiazi Lin, Yibang Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2023

Graphene research and applications被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、Bernal二重層グラフェンにおける spontaneoスモンテイオスな運動量分極を、二次高調波周波数での角度分解非線形輸送で観測した結果を報告し、運動量分極状態のカスケードが谷/アイソスピン秩序に結びつくことを明らかにしている。さらにARNTMを多層グラフェンにおける自発的対称性破れの感度の高い探針として確立している。

ABSTRACT

The low-temperature phase diagram of multilayer graphene heterostructures is largely defined by the exchange-driven instability that lifts the four-fold isospin degeneracy. Such instability gives rise to the quarter- and half-metal phases, which are key to our understanding of other emergent phenomena. Recent theoretical works shed light on a new type of Coulomb-driven instability. It is proposed that the exchange interaction between trigonal-warping-induced Fermi pockets could induce charge carriers to condense into one of the Fermi pockets, giving rise to a net polarization in the momentum space. Here, we report the observation of spontaneous momentum polarization in Bernal bilayer graphene using angle-resolved nonlinear transport measurement at the second-harmonic frequency. With excellent angular precision, we show that the polar axis of the momentum polarization is tunable with varying carrier density, electric field, and magnetic field. The dominating influence of the momentum-space instability reveals a natural connection between broken symmetries, and the isospin degeneracy lifting in the half- and quarter-metal phases.

研究の動機と目的

• 多層グラフェンにおけるアイソスピン縮退を解く交換相互作用による不安定性を理解する動機付け。
• BLGにおけるクーロン駆動不安定性としての自発的運動量分極を実証する。
• キャリア密度、変位場、磁場が運動量空間の分極をどのように調整するかをマッピングする。
• 運動量空間秩序を既知のアイソスピン秩序（半金属・四分の一金属）相と結びつける。

提案手法

• 二次高調波周波数での角度分解非線形輸送測定を用いて対称性破れを検出する。
• 角度依存性V2ω(φ)を1回対称成分と3回対称成分の組み合わせに拟合する：|V2ω(φ)=V1 cos(φ−β1)+V3 cos(3(φ−β3))。
• n-D（キャリア密度 vs 変位場）マップを解析して、極軸方向β1と非線形振幅V1を追跡する。
• 平面外および平面内磁場を用いて、運動量空間の不安定性とフェルミポケット占有への影響を調べる。
• ARNTMデータを解釈して、n-Dマップの遷移I–IVに沿ったフェルミポケット占有と谷の分極を推定する。
• 非線形輸送信号と磁気振動・ランドau準位充填を関連づけて、フェルミ表面のトポロジーを解明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bernal二重層グラフェンで自発的運動量分極を直接観測できるか？
• RQ2 キャリア密度と変位場の進むにつれて極軸β1と非線形応答V1はどう発展するか？
• RQ3 運動量分極と谷のアイソスピン秩序および既知の半金属/四分の一金属相との関係は？
• RQ4 平面内外の磁場は運動量空間の不安定性とフェルミポケット占有をどう調整するか？
• RQ5 ARNTMは運動量分極を他の二次高調波応答源（Berry曲率のデポリエース、歪み散乱、ネマティック性）と区別できるか？

主な発見

• Spontaneous momentum polarizationが観測され、極軸は谷K′の占有フェルミポケットに沿ってほとんど全域のn-Dマップで揃っている。
• 非線形応答はV1 dominatedの一重対称性を示し、β1は regime A, B, A′, B′, Cの遷移に応じて回転し、扇状の相図を形成する。
• 遷移間の狭い密度領域としてモーメントが非偏光の相（MUP相）が現れ、谷間をまたぐポケット占有の逐次的な様相と一致する。
• B場を作用させるとβ1の回転が生じ、アイソスピン縮退 Landau準位内に運動量分極の状態のカスケードを示し、運動量空間不安定性による自発的回転対称性破れを示す。
• 運動量分極はスピン分極と競合し、平面内磁場が大きいとPVP/PMP相が抑制され、小さな磁場で保持されることから、スピンと軌道チャネル間の競合を示唆する。
• ARNTMは自発的に破れた対称性を敏感に解像し、運動量空間の不安定性とアイソスピン縮退の解消・回転対称性低下との結びつきを示す有力な道具である。