[論文レビュー] Cascade of isospin phase transitions in Bernal bilayer graphene at zero magnetic field

Sergio C. de la Barrera, S. H. Aronson+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Graphene research and applications参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、二重ゲート型容量センシングを用いてキャリア密度と配置場を調整することで、ゼロ磁場下での超純粋なベーラン層間グラフェンにおいて、イソスピン相転移の連鎖を実証した。バンド端付近の拡散的フェルミ磁性状態において、自発的スピンおよびバルク極化が観測されるとともに、強化された層極化および量子揺らぎが観察され、モアレ超格子が存在しない状態でも、内在的なフラットバンド相関物理が顕在化した。

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.

研究の動機と目的

• 超純粋なベーラン積層構造の二層グラフェンにおけるゼロ磁場下での自発的対称性の破れを調査すること。
• ヴァン・ホーブ特異性および4重のスピン・バルクデゲネラシーに起因するフラットバンドにおける電子間相互作用の役割を調査すること。
• 二層グラフェンの内在的フラットバンドがモアレ超格子が存在しない状態でも相関電子状態を安定化させ得るかどうかを特定すること。
• キャリア密度と配置場の独立した調整を用いて、イソスピン秩序状態の相図をマッピングすること。
• 相関状態におけるスピン、バルク、層擬スピン自由度の相乗的相互作用を調査すること。

提案手法

• ヘキサボライトナイトライド（hBN）エナクロージャーおよび石墨ガードを用いた二重ゲート型二層グラフェンデバイスをフォトリソグラフィーで作製し、キャリア不純物を最小限に抑えた。
• 電子の圧縮率を調査し、不圧縮状態を検出するために、浸透場容量（$C_p$）測定を実施した。
• 上部ゲートによるキャリア密度の調整と下部ゲートによる配置場の調整を組み合わせ、相図の異なる領域にアクセスした。
• 40–100 mKの低温で測定を実施し、量子揺らぎおよび不圧縮状態を解像した。
• 低温アンプリファイアを備えた冷却用容量ブリッジを用いて、$C_p$および微分容量（$C_{\text{diff}}$）を高感度で測定した。
• ずれが生じたhBNスタックを用いた制御測定を実施し、観測された効果が基板由来のモアレ効果ではなく、二層グラフェン固有のものであることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モアレ超格子が存在しない状態でも、ゼロ磁場下の二層グラフェンで自発的スピンおよびバルク極化が出現可能か？
• RQ2 配置場が電子の圧縮率をどのように調整し、対称性破れ状態間の遷移を引き起こすか？
• RQ3 二層グラフェンにおけるイソスピン秩序において、層擬スピンがどのように強化されたり、秩序に結合したりするか？
• RQ4 圧縮率における量子揺らぎは、対称性破れ状態を示唆するものか？また、キャリア密度および配置場の変化に伴いどのように変化するか？
• RQ5 ベーラン二層グラフェンの内在的フラットバンド構造が、モアレ系と同等の相関状態を支持できるか？

主な発見

• 超純粋な二層グラフェンは、ゼロ磁場下でイソスピン相転移の連鎖を示し、バンド端付近の拡散的フェルミ磁性状態で完全なスピンおよびバルク極化が観測された。
• 拡散的フェルミ磁性状態は配置場によって強くチューニング可能であり、伝導帯および価電子帯端付近の低キャリア密度領域に現れた。
• より大きなホール密度では二重に縮退した量子揺らぎが観測され、平行磁場の効果で強化され、特徴的な対称性破れ状態を示した。
• 両方の対称性破れ状態とも低温で強化された層極化を示し、層擬スピン自由度との結合を示唆した。
• 観測された相転移はモアレ超格子が存在しない状態で発生しており、二層グラフェンの内在的フラットバンド構造が強い相関効果を支持できることを示した。
• $C_p$マッピングにより明らかにされた相図は、揺らぎの位置が配置場の大きさに対して線形に依存しており、チューナブルなバンド構造であることを確認した。