[논문 리뷰] Gate-Tunable Mott Insulator in Trilayer Graphene-Boron Nitride Moir\'e Superlattice

Guorui Chen, Lili Jiang외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 06.

Graphene research and applications인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 모리 초격자를 형성하는 ABC 삼중층 그래핀/hexagonal boron nitride 헤테로구조에서 전자기판 조절이 가능한 모트 절연체를 입증한다. 좁고 전자기판 조절이 가능한 미니밴드는 스핀과 범위 디세너지로 인해 모리 단위격자당 네 개의 전자를 수용하며, 1/4 및 1/2 충전 상태에서 모트 절연체 상태가 나타난다. 수직 게이트를 통해 모트 금속 갭을 전기적으로 조절할 수 있어 전자 도핑과 다양한 모트 절연체 상태 간의 전이를 실시간 제어할 수 있다.

ABSTRACT

Mott insulator plays a central role in strongly correlated physics, where the repulsive Coulomb interaction dominates over the electron kinetic energy and leads to insulating states with one electron occupying each unit cell. Doped Mott insulator is often described by the Hubbard model, which can give rise to other correlated phenomena such as unusual magnetism and even high temperature superconductivity. A tunable Mott insulator, where the competition between the Coulomb interaction and the kinetic energy can be varied in situ, can provide an invaluable model system for the study of Mott physics. Here we report the realization of such a tunable Mott insulator in the ABC trilayer graphene (TLG) and hexagonal boron nitride (hBN) heterostructure with a Moir\'e superlattice. Unlike massless Dirac electrons in monolayer graphene, electrons in pristine ABC TLG are characterized by quartic energy dispersion and large effective mass that are conducive for strongly correlated phenomena. The Moir\'e superlattice in TLG/hBN heterostructures leads to narrow electronic minibands that are gate-tunable. Each filled miniband contains 4 electrons in one Moir\'e lattice site due to the spin and valley degeneracy of graphene. The Mott insulator states emerge at 1/4 and 1/2 fillings, corresponding to one electron and two electrons per site, respectively. Moreover, the Mott states in the ABC TLG/hBN heterostructure exhibit unprecedented tunablility: the Mott gap can be modulated in situ by a vertical electrical field, and at the mean time the electron doping can be gate-tuned to fill the band from one Mott insulating state to another. Our observation of a tunable Mott insulator opens up tremendous opportunities to explore novel strongly correlated phenomena in two-dimensional Moir\'e superlattice heterostructures.

연구 동기 및 목표

• 이중 차원 모리 초격자 시스템에서 조절 가능한 모트 절연체를 실현하기 위해.
• 전자 상관관계와 운동 에너지의 상호작용을 전자기판 조절 플랫폼에서 탐구하기 위해.
• 삼중층 그래핀/hBN 헤테로구조에서 특정 충전 상태에서 모트 절연체 상태가 어떻게 나타나는지 조사하기 위해.
• 강한 상관 물리현상을 탐색하기 위해 실시간으로 모트 갭과 전자 도핑을 조절할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 좁은 전자 미니밴드를 가진 모리 초격자를 형성하기 위해 ABC 삼중층 그래핀/hexagonal boron nitride 헤테로구조를 설계한다.
• 수직 전기장을 가하여 모트 갭을 조절하기 위해 双게이트 필드효과 장치 기하학을 활용한다.
• 미니밴드의 1/4 및 1/2 충전 상태에서 절연 상태를 식별하기 위해 전기적 운반 측정을 수행한다.
• ABC 삼중층 그래핀의 큰 효과 질량과 4차 에너지 분포를 활용하여 전자 상관 효과를 강화한다.
• 스핀과 범위 디세너지를 이용하여 모리 격자 세포당 네 개의 전자를 달성한다.
• 게이트 전압 스윕을 통해 절연 갭과 밴드 충전 상태의 변화를 모니터링하여 조절 가능한 모트 전이를 관찰한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼중층 그래핀/hBN 모리 초격자에서 모트 절연체를 실현하고 전기적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 좁은 미니밴드를 가진 상관 전자 시스템에서 외부 게이트 전압이 모트 갭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이 시스템에서 모트 절연체 상태의 안정화에 있어 전자 충전 상태(1/4 및 1/2)의 역할은 무엇인가?
• RQ4 게이트 제어 도핑을 통해 시스템이 서로 다른 모트 절연체 상태 간에 전환될 수 있는가?
• RQ5 스핀과 범위 자유도는 모리 미니밴드에서 상관 절연체 상태 형성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• ABC 삼중층 그래핀/hBN 헤테로구조에서 좁은 모리 미니밴드의 1/4 및 1/2 충전 상태에서 모트 절연체 상태가 나타난다.
• 수직 게이트를 통해 모트 갭을 전기적으로 조절할 수 있어 절연 상태에 대한 실시간 제어가 가능하다.
• 스핀과 범위 디세너지로 인해 매개된 미니밴드가 충전될 경우 모리 단위격자당 네 개의 전자가 포함된다.
• 시스템은 전자기판 조절이 가능한 전자 도핑을 지원하여 서로 다른 모트 절연체 상태 간의 전이가 가능하다.
• ABC 삼중층 그래핀의 큰 효과 질량과 4차 분포가 전자 상관 효과를 강화하여 모트 절연체 형성에 유리하다.
• 모트 갭과 밴드 충전 상태의 조절 가능성은 2차원 모리 시스템에서 강한 상관 현상을 연구하는 데 있어 다용도 플랫폼을 제공한다.