[논문 리뷰] Spin-orbit driven ferromagnetism at half moir\'e filling in magic-angle twisted bilayer graphene

Jiangxiazi Lin, Yahui Zhang외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 12.

Graphene research and applications참고 문헌 45인용 수 145

한 줄 요약

이 연구는 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)를 포함한 마법의 각도로 얽힌 이중층 그래핀(tBLG) 헤테로구조에서 스핀-오비트 결합(SOC)에 의해 유도된 강한 페로자성을 입증한다. 여기서 인접한 영역에서 유도된 SOC는 반모어리 필링에서 Mott 유사 절연체를 강력한 페로자성체로 전환시키며, 이는 히스테리식 비정상 홀 효과와 수평 또는 수직 전기장 및 자기장에 의한 조절 가능한 자화 상태로 확인된다. 관측된 페로자성은 비영인 채널 수를 가진 밸리-편향 상태에서 기인하며, 이는 모어리 시스템에서의 토폴로지 공학을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Strong electron correlation and spin-orbit coupling (SOC) provide two non-trivial threads to condensed matter physics. When these two strands of physics come together, a plethora of quantum phenomena with novel topological order have been predicted to emerge in the correlated SOC regime. In this work, we examine the combined influence of electron correlation and SOC on a 2-dimensional (2D) electronic system at the atomic interface between magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) and a tungsten diselenide (\WSe) crystal. In such a structure, strong electron correlation within the moir\'e flatband stabilizes correlated insulating states at both quarter and half-filling, whereas SOC transforms these Mott-like insulators into ferromagnets, evidenced by robust anomalous Hall effect with hysteretic switching behavior. The coupling between spin and valley degrees of freedom is unambiguously demonstrated as the magnetic order is shown to be tunable with an in-plane magnetic field, or a perpendicular electric field. In addition, we examine the influence of SOC on the isospin order and stability of superconductivity. Our findings establish an efficient experimental knob to engineer topological properties of moir\'e bands in twisted bilayer graphene and related systems.

연구 동기 및 목표

• 마법의 각도로 얽힌 이중층 그래핀(tBLG)에서 tBLG/WSe2 인터페이스에서 전자 상호작용과 스핀-오비트 결합(SOC) 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 근접 효과로 유도된 SOC가 반모어리 필링에서 페로자성 질서를 안정화시킬 수 있는지, 특히 상대적으로 억제되는 간섭-밸리 투르드 훈드 상호작용에 의해 억제되는 조건에서의 가능성을 규명하는 것.
• 수평 자기장과 수직 전기장에 의한 자기 및 토폴로지 질서의 조절 가능성 탐색.
• 상호작용이 있는 모어리 시스템에서 초전도성의 안정성에 영향을 미치는 SOC의 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• hBN와 그래파이트로 둘러싸인 tBLG를 포함한 반데르발스 헤테로구조를 제작하고, 강한 근접 SOC를 유도하기 위해 다층 WSe2로 캡핑하는 것.
• 밀리켈빈 온도에서의 전기적 측정을 통해 캐리어 농도, 자기장, 게이트 전압에 따른 縦방향( Rxx ) 및 횡방향( Rxy ) 저항을 분석하는 것.
• 자기 히스테리시스와 스핀-밸리 락킹을 탐색하기 위해 수직 및 수평 자기장을 적용하는 것.
• 상부 및 배경 게이트를 갖춘 双게이트 기하구조를 사용하여 캐리어 농도( ntBLG )와 전기장( D )를 조절함으로써 이소스핀 및 밸리 자유도를 제어하는 것.
• 랜다우 수준 팬 다이어그램과 홀 저항 히스테리시스 루프 분석을 통해 채널 수를 추출하고, 토폴로지 위상 전이를 식별하는 것.
• 이소스핀 및 라슈바 SOC 항(λI, λR)을 포함한 모어리 밴드 구조의 이론적 모델링을 통해 관측된 비영인 밸리 채널 수와 자기 질서를 설명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접 효과로 유도된 스핀-오비트 결합이, 일반적으로 간섭-밸리 훈드 상호작용에 의해 억제되는 반모어리 필링에서 tBLG에서 페로자성 질서를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 전자 상호작용과 SOC의 조합이 비영인 채널 수를 가진 밸리-편향 상태와 비영인 토폴로지 상태를 어떻게 유도하는가?
• RQ3 수평 자기장 또는 수직 전기장에 의한 자기 질서의 조절 범위는 어느 정도이며, 이는 스핀-밸리 락킹과의 관계에서 무엇을 드러내는가?
• RQ4 상호작용이 있는 절연 상태에서 초전도성 쌍정렬의 안정성에 대해 SOC의 역할은 무엇인가?
• RQ5 관측된 비정상 홀 효과와 그 히스테리식 스위칭 행동은 어떻게 강력한 페로자성 질서의 존재를 확인하는가?

주요 결과

• 반모어리 필링에서 ν = +1 및 ν = +2에서 히스테리식 스위칭을 보이는 강력한 비정상 홀 효과가 관측되어, 근접 효과로 유도된 SOC에 의해 반모어리 필링에서 페로자성 질서가 유도됨을 시사한다.
• 큰 수평 자기장에서 ν = +2에서 저항 피크가 사라짐에 따라 자성 질서가 궤도적 페로자성임이 확인되었으며, 이는 스핀 분극을 해제하기 때문이다.
• 온도가 상승함에 따라( T > 4 K) 히스테리식 홀 저항 루프가 사라지며, 이는 비정상 홀 신호의 자성 기원을 확인한다.
• 수평 자기장을 통해 자기 질서를 조절 가능하며, ν = +2에서 홀 저항 히스테리시스의 부호 반전이 관측되어 스핀-밸리 락킹과 비영인 밸리 채널 수와 일치한다.
• ν = +2에서 관측된 채널 수는 Cnet = -2이며, 이는 두 개의 최저 도너 밴드가 각각 K 및 K' 밸리 인덱스를 가지며 채널 수 C = -3 및 +1을 가짐을 의미한다.
• 잔여 부피 전도도로 인해 자기 히스테리시스 루프 크기가 작으며, 이는 채널 갭이 완전히 발달하지 않았음을 시사하지만, 홀 저항 기울기가 일반 홀 성분과 일치함으로써 부분적인 절연 거동을 확인한다.