[논문 리뷰] Electrically tunable correlated and topological states in twisted monolayer-bilayer graphene

Shao-Wen Chen, Minhao He외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 23.

Graphene research and applications인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 전기적으로 조절 가능한 상관 및 위상 상태를 갖는 비틀어진 단일층-이중층 그래핀(tMBG)이 자성 및 큰 비정상 홀 효과를 가진 절연체 및 금속성 상을 포함하여 전자기적으로 조절 가능하다는 것을 보여준다. 시스템의 낮은 대칭성 덕분에 이완장 방향을 뒤바꿔 tBLG 유사 및 tDBG 유사 행동 간 전환 가능하며, 외부 자기장이 없는 조건에서 자성 및 밴드 위상 구조를 완전히 전기적으로 제어할 수 있다.

ABSTRACT

Twisted van der Waals heterostructures with flat electronic bands have recently emerged as a platform for realizing correlated and topological states with an extraordinary degree of control and tunability. In graphene-based moiré heterostructures, the correlated phase diagram and band topology depend strongly on the number of graphene layers, their relative stacking arrangement, and details of the external environment from the encapsulating crystals. Here, we report that the system of twisted monolayer-bilayer graphene (tMBG) hosts a variety of correlated metallic and insulating states, as well as topological magnetic states. Because of its low symmetry, the phase diagram of tMBG approximates that of twisted bilayer graphene when an applied perpendicular electric field points from the bilayer towards the monolayer graphene, or twisted double bilayer graphene when the field is reversed. In the former case, we observe correlated states which undergo an orbitally driven insulating transition above a critical perpendicular magnetic field. In the latter case, we observe the emergence of electrically tunable ferromagnetism at one-quarter filling of the conduction band, with a large associated anomalous Hall effect. Uniquely, the magnetization direction can be switched purely with electrostatic doping at zero magnetic field. Our results establish tMBG as a highly tunable platform for investigating a wide array of tunable correlated and topological states.

연구 동기 및 목표

• 비틀어진 단일층-이중층 그래핀(tMBG)에서 낮은 결정 대칭성을 갖는 상관 및 위상 상을 탐구하기 위해.
• 비틀기 각도, 게이트 도핑, 이완장 간의 상호작용이 전자 상태를 어떻게 조절하는지 규명하기 위해.
• 외부 자기장 없이 tMBG에서 자성 및 위상 순서가 어떻게 나타나는지 조사하기 위해.
• tMBG를 상관 및 위상 양자 상을 실현하고 제어할 수 있는 매우 조절 가능한 플랫폼으로 확립하기 위해.

제안 방법

• tMBG 헤테로구조를 만들기 위해 '자르고 쌓기' 방법을 사용하여 비틀기 각도가 0.89°에서 1.55° 사이인 장치를 제작하였다.
• hBN 봉지 둘러싸임을 갖는 双게이트 장치를 통해 캐리어 농도(n) 및 이완장(D)을 정밀하게 제어하였다.
• 13.3 Hz 또는 17.7 Hz에서 락인 기술을 사용하여 0.3 K에서 사중전극 기하구조로 전기적 운반자 측정을 수행하였다.
• 이완장 D는 상부 및 하부 게이트 전압을 통해 조절되었으며, D > 0는 단일층에서 이중층 그래핀으로 향하는 전기장 방향으로 정의되었다.
• 비틀기 각도는 자기장에서의 양자 진동을 통해 결정되었으며, 관계식 ns = 8θ² / (√3 a²)를 사용하였으며, a = 0.246 nm이다.
• 자기 히스테리시스는 500 pA의 자극을 사용하였고, 직류 전류 비bias를 통해 자성 상태를 제어하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이완장 방향이 tMBG의 상도표를 tBLG 유사 및 tDBG 유사 행동 간 전환시키는 방식은 무엇인가?
• RQ2 외부 자기장이 없는 조건에서 tMBG에서 전기적으로 조절 가능한 자성 및 큰 비정상 홀 효과를 실현할 수 있는가?
• RQ3 tMBG의 낮은 대칭성이 전기적 제어를 통한 위상 및 상관 상태 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 다양한 충만도 계수에서 상관 절연체 및 금속성 상태가 tMBG에서 어떻게 발생하는가?
• RQ5 외부 자기장 없이 전기적 도핑만으로 tMBG의 자화 방향을 순수하게 스위칭할 수 있는가?

주요 결과

• D > 0 (이중층에서 단일층으로 향하는 전기장) 조건에서는 tBLG 유사와 유사하게 모든 정수 충만도 계수에서 상관 절연 상태를 나타내며, 수직 자기장이 임계값을 초과할 경우 궤도 기반 절연 전이가 발생한다.
• D < 0 (단일층에서 이중층으로 향하는 전기장) 조건에서는 도체 밴드의 1/4 충만도에서 큰 비정상 홀 효과가 나타나며, 이는 전기적으로 조절 가능한 자성의 존재를 시사한다.
• 자성 상태에서 자화 방향은 외부 자기장이 없는 조건에서 순수하게 전기적 도핑을 통해 스위칭 가능하며, 이는 자성 질서에 대한 완전한 전기적 제어를 보여준다.
• 시스템의 상도표는 D > 0일 땐 tBLG에 유사하고, D < 0일 땐 tDBG에 유사한 형태를 띠며, 이는 tMBG에서 C2 및 My 대칭성의 붕괴 때문이므로.
• 관측된 위상 상태는 비자명한 밴드 위상 구조와 일치하며, 더 강한 상호작용 조건에서 분수 츄링 인서레이터 상태의 잠재적 실현 가능성을 제공한다.
• 결과적으로 tMBG는 게이트 전압과 이완장을 뿐만 아니라, 다양한 상관 및 위상 양자 상을 탐색할 수 있는 매우 조절 가능한 플랫폼으로 확립된다.