[論文レビュー] Thermodynamic signatures of the field-induced states of graphite

David LeBoeuf, Willem Rischau+8 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|May 19, 2017

Graphene research and applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、超音波測定による音速および減衰の測定を用いて、グラファイトにおける磁場誘発電子不安定性の熱力学的検出を初めて報告する。これは、ランダウ準位のクロスイングおよび電子-電子／格子相互作用によって駆動される、2つの第二種相転移および2つの第一種相転移の連鎖を明らかにする。臨界転移は約53 Tに位置し、ランダウ準位の不活性化に起因する密度波状態の崩壊を示す。

ABSTRACT

When a magnetic field confines the carriers of a Fermi sea to their lowest Landau level, electron-electron interactions are expected to play a significant role in determining the electronic ground state. Graphite is known to host a sequence of magnetic field-induced states driven by such interactions. Three decades after their discovery, thermodynamic signatures of these instabilities are still elusive. Here, we report the first detection of these transitions with sound velocity. We find that the phase transition occurs in the vicinity of a magnetic field at which at least one of the Landau levels cross the Fermi energy. The evolution of elastic constant anomalies with temperature and magnetic field draws a detailed phase diagram which shows that the ground state evolves in a sequence of thermodynamic phase transitions.Our analysis indicates that electron-electron interaction is not the sole driving force of these transitions and that lattice degrees of freedom play an important role.

研究の動機と目的

• 長年にわたる研究にもかかわらず、依然として難解であった、磁場誘発電子不安定性の熱力学的兆候を特定すること。
• フィールド-温度相図における相転移の性質を特定すること、特に電子-電子および電子-格子相互作用の果たす役割を解明すること。
• 弾性応答を用いて、磁場誘発密度波（DW）状態の順序パラメータに関する論争を解決すること。
• 約53 Tにおける再入的挙動の起源を解明すること、特にランダウ準位の不活性化との関連を明らかにすること。

提案手法

• 255 MHzで、c軸に沿って高配向ピロライティックグラファイト（HOPG）の縦波音速（Δv/v₀）および減衰（Δα(ω)）の超音波測定を実施。
• 静的極限における音速を用いて弾性定数を測定し、v₃₃ = √(c₃₃/ρ)の関係を用い、弾性応答と熱力学的微係数を結びつける。
• 超音波データを電気的輸送（磁気抵抗率 Rₚₚ）および磁化測定と統合し、全相図をマッピング。
• エーレンフェスト関係および秩序パラメータフラクチュエーションへの動的結合を分析し、熱力学的不連続性と緩和寄与を区別。
• 周波数依存測定を用いて緩和ダイナミクスを調査し、ヒステリシスを示す相転移を同定。
• 理論的モデルによるランダウ準位の不活性化および再規範化を用い、音速の異常とランダウ準位クロスイングを相関。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファイトにおける磁場誘発密度波（DW）状態の熱力学的兆候は何か？ そして、電子輸送応答とはどのように異なるか？
• RQ2 電子-電子および電子-格子相互作用は、DW状態の形成および安定性にどのように寄与するか？
• RQ3 約53 Tにおける再入的転移の起源は何か？ そして、ランダウ準位の不活性化とどのように関連するか？
• RQ4 低キャリア濃度にもかかわらず、α転移が大きな音速ジャンプを示すのはなぜか？ これには格子結合の強さが示唆されるか？
• RQ5 観測されたヒステリシスを示す相転移は、CDW系におけるロックイン転移とどのように関連するか？

主な発見

• 超音波測定を用いた、グラファイトにおける磁場誘発電子不安定性の初の熱力学的検出が達成され、相図に4つの明確な相転移が同定された。
• DW状態は第二種相転移を経て形成され、臨界磁場は温度とともに増加し、ドーム型の相境界を形成する。
• DWドーム内での第一種相転移（αおよびβ転移）はヒステリシスを示し、CDW系におけるロックイン転移に類似している。
• 約53 Tにおけるδ転移は、ランダウ準位の不活性化に起因するDW状態の崩壊を示し、明確な音速ジャンプおよび非対称な減衰ピークによって確認された。
• α転移における音速ジャンプの大きさは、従来のSDW系と比較して1桁大きい。これは、低キャリア密度にもかかわらず強い電子-格子結合が存在することを示唆する。
• 再入的磁場付近で、臨界温度より12–15 K高い温度で音速の緩和が観測され、これはランダウ準位クロスイングと一致し、DW状態の終了に伴うランダウ準位の不活性化の役割を裏付ける。