[논문 리뷰] Electric field control of spins in bilayer graphene: Local moment formation and local moment interactions

Matthew Killi, Dariush Heidarian외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 06.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 48인용 수 35

한 줄 요약

이 논문은 평균장 앤더슨 불순종 모형을 사용하여 이중층 그래핀(BLG)에서 국소 자화모멘트와 그 상호작용의 전기장 제어를 연구한다. 수평 방향 전기장 적용으로 BLG 밴드 갭에 대한 불순종 에너지 준위를 조절함으로써 국소 모멘트를 켜거나 끌 수 있으며, 동시에 밴드 구조 공학을 통해 RKKY 상호작용을 동적 제어할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We study local moment formation for adatoms on bilayer graphene (BLG) within a mean-field theory of the Anderson impurity model. The wavefunctions of the BLG electrons induce strong particle-hole asymmetry and band dependence of the hybridization, which is shown to result in unusual features in the impurity model phase diagram. We also study the effect of varying the chemical potential, as well as varying an electric field perpendicular to the bilayer; the latter modifies the density of states of electrons in BLG and, more significantly, shifts the impurity energy. We show that this leads to regimes in the impurity phase diagram where local moments can be turned on or off by applying modest external electric fields. Finally, we show that the RKKY interaction between local moments can be varied by tuning the chemical potential (as has also been suggested in monolayer graphene) or, more interestingly, by tuning the electric field so that it induces changes in the band structure of BLG.

연구 동기 및 목표

• 이중층 그래핀의 플라켓 중심 불순종에서 국소 모멘트 형성이 전자 구조와 외부 필드에 의해 어떻게 영향을 받는지 이해하기 위해.
• 입자-홀 비대칭성과 밴드에 의존하는 결합이 불순종 상다이어그램 형성에 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 이중층 그래핀에 수직 방향 외부 전기장이 불순종 에너지 준위를 조절하고 국소 모멘트 형성에 영향을 주는 방식을 탐구하기 위해.
• 화학적 위치 에너지 조절 및 전기장 조절을 통해 국소 모멘트 간 RKKY 상호작용의 조절 가능성을 탐색하기 위해.
• 이중층 그래핀의 고유한 밴드 구조의 영향을 분리하기 위해, 편극성 BLG와 비편극성 모델 시스템 간의 행동을 대조하기 위해.

제안 방법

• 이중층 그래핀의 플라켓 중심 불순종을 위한 앤더슨 불순종 모형을 수립하였으며, 밴드 구조, 결합, 전자-전자 상호작용을 포함하였다.
• 자기에너지 보정을 포함한 운동량 및 밴드에 의존하는 결합을 고려한 평균장 이론을 적용하여 불순종 모형을 해석하였다.
• 근처 원자 간 및 층 간 터널링(t = 1, t⊥ ≈ 0.15t)을 포함한 최소한의 타이트버드 모형을 사용하여 전자 분산를 기술하였다.
• 수직 방향 전기장(편향)을 도입하여 밴드를 분리하고 불순종 에너지를 이동시켜 효과적 화학적 위치 에너지를 제어할 수 있도록 하였다.
• 화학적 위치 에너지 및 편향을 스윕하여 상다이어그램을 구성하였으며, 국소 모멘트 형성 및 쿨롱 차단 영역을 식별하였다.
• 밴드나 운동량 의존성 없이 동일한 상태 밀도를 가지는 가짜 비편극성 시스템과의 비교를 통해 편극성 효과를 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중층 그래핀에서 외부 전기장으로 국소 자화모멘트를 켜거나 끌 수 있는가?
• RQ2 BLG의 편극성, 밴드에 의존하는 결합은 전통적인 시스템과 비교해 국소 모멘트 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 입자-홀 비대칭성과 밴드 구조는 BLG의 앤더슨 불순종 모형 상다이어그램을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 화학적 위치 에너지나 전기장 조절을 통해 국소 모멘트 간 RKKY 상호작용을 어떻게 조절할 수 있는가?
• RQ5 BLG의 고유한 웨이브함수는 비정상적인 자기에너지 및 스펙트럼 피크 정규화를 어떻게 유도하는가?

주요 결과

• 수직 전기장 적용으로 불순종 에너지 준위가 이동하며, 작은 필드 변화로도 국소 모멘트의 케이스/오프 전환을 가능하게 한다.
• 어느 정도의 유한한 U 값이 존재할 경우, 쿨롱 차단으로 인해 국소 모멘트 형성이 발생하는 영역이 존재하며, 이는 불순종 준위가 밴드 갭 중심에 있을 때 상다이어그램에서 식별할 수 있다.
• 편극성 웨이브함수와 운동량에 의존하는 결합으로 인해 자기에너지의 실수부가 크게 증가하고 주파수에 비선형적인 의존성이 생기며, 이로 인해 스펙트럼 피크 위치가 정규화된다.
• 상다이어그램은 전통적인 시스템과 달리 강한 입자-홀 비대칭성과 밴드 의존성을 보이며, 이는 BLG의 편극성 입자들 때문인 것으로 나타났다.
• 화학적 위치 에너지 조절 또는 BLG 밴드 구조를 변화시키는 전기장 적용을 통해 국소 모멘트 간 RKKY 상호작용을 조절할 수 있다.
• 비편극성 시스템과의 비교를 통해 편극성 결합과 밴드 구조가 관측된 비정상적인 상다이어그램 특성에 필수적임을 확인하였다.