[論文レビュー] Spontaneous time-reversal symmetry breaking in twisted double bilayer graphene

Manabendra Kuiri, Christopher Coleman+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、約1.3°のねじれ角を有するねじれ二重ブリルアン層グラフェン（tDBG）において、最初に自発的時間反転対称性の破れが観測されたことを報告する。これは、垂直磁場下で100 mTまで持続する頑健な異常ホール効果（AHE）のヒステリシスループによって裏付けられている。AHEに加え、強い面内磁場への感受性が示され、スピン・バルク（軌道）フェルミ磁性の出現を示唆し、関連する金属的状態におけるスピン・バルクロックと対称性の破れの複雑な相互作用を明らかにする。

ABSTRACT

Twisted double bilayer graphene (tDBG) comprises two Bernal-stacked bilayer graphene sheets with a twist between them. Gate voltages applied to top and back gates of a tDBG device tune both the flatness and topology of the electronic bands, enabling an unusual level of experimental control. Broken spin/valley symmetry metallic states have been observed in tDBG devices with twist angles $\sim $ 1.2-1.3$^\circ$, but the topologies and order parameters of these states have remained unclear. We report the observation of an anomalous Hall effect in the correlated metal state of tDBG, with hysteresis loops spanning 100s of mT in out-of-plane magnetic field ($B_{\perp}$) that demonstrate spontaneously broken time-reversal symmetry. The $B_{\perp}$ hysteresis persists for in-plane fields up to several Tesla, suggesting valley (orbital) ferromagnetism. At the same time, the resistivity is strongly affected by even mT-scale values of in-plane magnetic field, pointing to spin-valley coupling or to a direct orbital coupling between in-plane field and the valley degree of freedom.

研究の動機と目的

• ねじれ角が約1.3°のtDBGにおける対称性の破れ相の性質を特定すること。
• tDBGの関連金属的状態において時間反転対称性が自発的に破れるかどうかを特定すること。
• ゲート電圧でチューニング可能なフラットバンドにおけるトポロジカルおよび磁気的秩序パラメータを調査すること。
• スピン、バルク、および軌道自由度が、特異な量子相の出現に果たす役割を明確にすること。

提案手法

• 六方窒化ホウ素（hBN）カプセル化を用いた改良型の裂いて積み上げ技術を用いて、高品質なAB-AB積層tDBGデバイスを作製した。
• 二重トップゲートおよびバックゲートを用い、キャリア密度（n）と電界シフト（D）を独立してチューニングすることで、バンドのフラットネスとトポロジーを制御した。
• 10–15 mKの低温下で、13.3 Hzのロックイン技術を用いた4端子ホールバー幾何学的配置を用いた輸送測定を実施した。
• 面内（B∥）および垂直（B⊥）磁場を変化させながら、縦（Rxx）およびホール（Rxy）抵抗を測定し、対称性の破れをプローブした。
• ヒステリシスおよび磁気異方性のシグネチャーを抽出するために、反対称化抵抗（ρxy）および対称化抵抗（ρxx）を用いた。
• ハートリー＝フォックおよび単粒子モデルを用いてモアレ帯分散およびベリー曲率を計算し、実験的観察の解釈を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれ角が約1.3°のtDBGの関連金属的状態において、時間反転対称性の自発的破れが生じるか？
• RQ2 観測された異常ホール効果を引き起こす対称性の破れの性質（スピン、バルク、または軌道）は何か？
• RQ3 面内および垂直磁場が抵抗にどのように異なる影響を及ぼし、これによりどのような秩序パラメータが明らかになるか？
• RQ4 tDBGの関連金属的状態は、スピン・バルクロックまたはバルクフェルミ磁性のどの程度の特徴を示すか？

主な発見

• 垂直磁場下において、tDBGの関連金属的状態で鋭いヒステリシスループを示す異常ホール効果（AHE）が観測され、100 mTまで持続した。これは、時間反転対称性の自発的破れを示唆する。
• AHEは数テスラまでの面内磁場下でも持続しており、強い磁気異方性を示すバルク（軌道）フェルミ磁性の存在を示唆する。
• 縦抵抗および横抵抗は、mTスケールの面内磁場に対して極めて感受性を示し、強いスピン・バルク結合またはバルク自由度への直接的軌道結合を示唆する。
• AHEは（ν, D）位相図の「ハロー」領域に限定されて現れ、フェルミ磁性状態がモアレ帯の上部付近の強い相関状態でのみ出現することを示している。
• 伝導帯におけるベリー曲率の理論的計算により、強い非自明なトポロジーが確認され、観測されたAHEおよび軌道フェルミ磁性秩序と整合的である。
• 観測されたヒステリシスおよび磁気異方性は、スピン極化状態のみでは説明できないため、対称性の破れ相においてバルク秩序が支配的役割を果たしていることを示唆する。