[论文解读] Interaction-driven (quasi-) insulating ground states of gapped electron-doped bilayer graphene

Α. Seiler, Martin Statz+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2023

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究报道了在大位移场下电子掺杂双层石墨烯中出现的由相互作用驱动的（准）绝缘基态，其中自旋和谷序导致非线性电流-偏压行为及绝缘性温度依赖性——这表明存在诸如部分费米面隙化态或莫特晶体等非寻常电荷序相，与先前观测到的斯通纳相不同。

ABSTRACT

Bernal bilayer graphene has recently been discovered to exhibit a wide range of unique ordered phases resulting from interaction-driven effects and encompassing spin and valley magnetism, correlated insulators, correlated metals, and superconductivity. This letter reports on a novel family of correlated phases characterized by spin and valley ordering, observed in electron-doped bilayer graphene. The novel correlated phases demonstrate an intriguing non-linear current-bias behavior at ultralow currents that is sensitive to the onset of the phases and is accompanied by an insulating temperature dependence, providing strong evidence for the presence of unconventional charge carrying degrees of freedom originating from ordering. These characteristics cannot be solely attributed to any of the previously reported phases, and are qualitatively different from the behavior seen previously on the hole-doped side. Instead, our observations align with the presence of charge- or spin-density-waves state that open a gap on a portion of the Fermi surface or fully gapped Wigner crystals. The resulting new phases, quasi-insulators in which part of the Fermi surface remains intact or valley-polarized and valley-unpolarized Wigner crystals, coexist with previously known Stoner phases, resulting in an exceptionally intricate phase diagram.

研究动机与目标

• 研究在大位移场下电子掺杂双层石墨烯中相关电子相的出现。
• 确定在电子掺杂区域是否会出现超越斯通纳铁磁性的相互作用驱动绝缘态。
• 通过输运测量及其对栅压、温度和磁场的依赖性，确定新基态的本质。
• 将电子掺杂的相图与先前研究的空穴掺杂区域进行比较，突出有序机制的差异。

提出的方法

• 使用六方氮化硼（hBN）封装的双层石墨烯微小薄片，结合石墨体/背栅电极，调节载流子密度（n）和位移场（D）。
• 在稀释制冷机中于10 mK温度下进行两探针和四探针输运测量，以探测电导率（G）随n和D的变化。
• 通过分析归一化的导数 |dG/dn| 识别相边界，并区分电导率相近的区域。
• 测量非线性电流-偏压依赖性和温度依赖性电导率，以检测绝缘行为。
• 利用有限磁场下的Landau能级间距变化，推断自旋和谷极化。
• 将实验观测与电荷/自旋密度波及莫特晶体的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子掺杂双层石墨烯中，是否会在超出斯通纳判据的条件下出现由相互作用驱动的（准）绝缘相？
• RQ2 在低载流子密度和大位移场下观测到的新型关联相的本质是什么？
• RQ3 输运特性——包括非线性电流-偏压响应和绝缘性温度依赖性——如何将这些相与先前报道的金属性斯通纳态区分开来？
• RQ4 所观测行为是否可由部分费米面隙化或莫特晶体形成来解释？
• RQ5 在有序性和稳定性方面，电子掺杂相图与空穴掺杂区域有何不同？

主要发现

• 在低载流子密度和大位移场下，出现了一类新型（准）绝缘相，标记为 svi（自旋和谷极化绝缘体）和 si（自旋极化绝缘体）。
• 这些相表现出非线性电流-偏压依赖性和绝缘性温度依赖性（电导率随温度升高而增加），表明存在非传统的电荷输运自由度。
• 所观测行为无法仅用斯通纳铁磁性解释，暗示存在电荷或自旋密度波态，导致部分费米面隙化。
• 这些相在极低载流子密度下稳定，与能带边缘的平坦能带及发散态密度相关，而非费米面拓扑结构的变化。
• 理论模型表明可能形成莫特晶体或部分隙化态，且可能存在可移动载流子与有序相的共存。
• 相图极为复杂，与先前已知的斯通纳相共存，且在输运特征上与空穴掺杂区域存在定性差异。