[논문 리뷰] Cascade of isospin phase transitions in Bernal bilayer graphene at zero magnetic field

Sergio C. de la Barrera, S. H. Aronson외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 26.

Graphene research and applications참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이중 게이트형 용량 감지 기술을 사용하여 캐리어 농도와 이완성 전위를 조절함으로써, 자성장이 없는 조건에서 초순수 Bernal 이중층 그래핀에서 이소스핀 상전이의 연쇄적 발생을 입증한다. 이는 밴드 에지 근처의 이동성 강자성 상태에서 자발적인 스핀 및 밸리 분극을 관찰하고, 증가된 층 분극과 양자 진동을 보이며, 모리에 수반 초격자 없이도 내재된 평탄한 밴드 상관 물리학을 드러낸다.

ABSTRACT

Emergent phenomena arising from the collective behavior of electrons is generally expected when Coulomb interactions dominate over the kinetic energy, as in delocalized quasiparticles in highly degenerate flat bands. Bernal-stacked bilayer graphene intrinsically supports a pair of flat bands predicted to host a variety of spontaneous broken-symmetry states arising from van Hove singularities and a four-fold spin-valley (isospin) degeneracy. Here, we show that ultra-clean samples of bilayer graphene display a cascade of symmetry-broken states with spontaneous and spin and valley ordering at zero magnetic field. Using capacitive sensing in a dual-gated geometry, we tune the carrier density and electric displacement field independently to explore the phase space of transitions and probe the character of the isospin order. Itinerant ferromagnetic states emerge near the conduction and valence band edges with complete spin and valley polarization and a high degree of displacement field tunability. At larger hole densities, two-fold degenerate quantum oscillations manifest in an additional broken symmetry state that is enhanced by the application of an in-plane magnetic field. Both types of symmetry-broken states display enhanced layer polarization at low temperatures, suggesting a coupling to the layer pseudospin degree of freedom in the electronic wavefunctions. Notably, the zero-field spontaneous symmetry breaking reported here emerges in the absence of a moiré superlattice and is intrinsic to natural graphene bilayers. Thus, we demonstrate that the tunable bands of bilayer graphene represent a related, but distinct approach to produce flat band collective behavior, complementary to engineered moiré structures.

연구 동기 및 목표

• 자기장이 없는 조건에서 초순수 Bernal 배열 이중층 그래핀에서의 자발적 대칭성 파괴를 조사하기 위해.
• 바나 허브 스트레인과 네 개의 스핀-밸리 디세너시가 있는 평탄한 밴드에서 발생하는 전자-전자 상호작용의 역할을 탐색하기 위해.
• 이중층 그래핀의 내재된 밴드 평탄성은 모리에 수반 초격자가 없이도 상관 전자 상태를 수용할 수 있는가를 판단하기 위해.
• 캐리어 농도와 이완성 전위를 독립적으로 조절하여 이소스핀 순서 상태의 상도를 매핑하기 위해.
• 상관 상태에서 스핀, 밸리, 층 허위스핀 자유도 간의 상호작용을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 전하 불순물의 영향을 최소화하기 위해 hBN 봉입 및 그래파이트 게이트를 사용하여 이중 게이트형 이중층 그래핀 장치를 제작하였다.
• 전자 압축성과 비압축 상태를 탐지하기 위해 침투 전기용량($C_p$) 측정을 수행하였다.
• 상도의 다양한 영역에 접근하기 위해 상부 게이트로 캐리어 농도를 조절하고 하부 게이트로 이완성 전위를 조절하였다.
• 양자 진동과 비압축 상태를 해상하기 위해 40–100 mK에서 측정을 수행하였다.
• 저온 증폭기를 사용한 냉각용 전기용량 브릿지로 $C_p$와 미분 전기용량($C_{\text{diff}}$)을 고감도로 측정하였다.
• 관측된 효과가 이중층 그래핀의 내재적 성질인지, 기질에 기인한 모리에 효과인지 확인하기 위해 비정렬 hBN 스택에서 제어 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모리에 수반 초격자가 없는 조건에서 자성장이 없는 이중층 그래핀에서 자발적인 스핀 및 밸리 분극이 발생할 수 있는가?
• RQ2 이완성 전위가 전자 압축성에 어떻게 영향을 주고 대칭성 파괴 상태 간의 전이를 유도하는가?
• RQ3 이중층 그래핀에서 이소스핀 질서에 대한 층 허위스핀의 역할은 무엇인가?
• RQ4 압축성에서 관측된 양자 진동은 대칭성 파괴 상태를 나타내는가? 그리고 캐리어 농도와 전압에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 Bernal 이중층 그래핀의 내재된 평탄한 밴드 구조는 모리에 시스템과 비교할 만한 상관 상태를 어떻게 지원하는가?

주요 결과

• 초순수 이중층 그래핀은 자성장이 없는 조건에서 이소스핀 상전이의 연쇄적 발생을 보이며, 밴드 에지 근처의 이동성 강자성 상태에서 스핀과 밸리가 완전히 분극된다.
• 이동성 강자성 상태는 이완성 전위에 의해 매우 잘 조절 가능하며, 도핑된 전도대 및 가역대 에지 근처의 낮은 캐리어 농도에서 나타난다.
• 더 큰 정공 농도에서 이중 대칭의 양자 진동이 나타나며, 이는 평행 자기장에 의해 강화되어 별개의 대칭성 파괴 상태임을 시사한다.
• 두 대칭성 파괴 상태 모두 저온에서 증가된 층 분극을 보이며, 이는 층 허위스핀 자유도와의 결합을 시사한다.
• 관측된 전이가 모리에 수반 초격자가 없는 조건에서 발생함으로써, 이중층 그래핀의 내재된 밴드 평탄성이 강한 상관 효과를 지닌다.
• $C_p$ 매핑으로 드러난 상도는 진동 위치가 이완성 전위 크기에 선형적으로 의존함을 확인하여 조절 가능한 밴드 구조임을 증명한다.