[논문 리뷰] Orbital Multiferroicity in Pentalayer Rhombohedral Graphene

Tonghang Han, Zhengguang Lu외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 17.

Multiferroics and related materials참고 문헌 40인용 수 10

한 줄 요약

본 논문은 펜타레이어 로롬보헤리올 그래핀에서 궤도 다기전 현(multiferroicity)을 보고하며, 밸리–자기화 사중주와 전기장으로 조절 가능한 ferro-valleytronic 질서를 밝힌다. 이 질서는 E·B에 결합된다.

ABSTRACT

Ferroic orders describe spontaneous polarization of spin, charge, and lattice degrees of freedom in materials. Materials featuring multiple ferroic orders, known as multiferroics, play important roles in multi-functional electrical and magnetic device applications. 2D materials with honeycomb lattices offer exciting opportunities to engineer unconventional multiferroicity, where the ferroic orders are driven purely by the orbital degrees of freedom but not electron spin. These include ferro-valleytricity corresponding to the electron valley and ferro-orbital-magnetism supported by quantum geometric effects. Such orbital multiferroics could offer strong valley-magnetic couplings and large responses to external fields-enabling device applications such as multiple-state memory elements, and electric control of valley and magnetic states. Here we report orbital multiferroicity in pentalayer rhombohedral graphene using low temperature magneto-transport measurements. We observed anomalous Hall signals Rxy with an exceptionally large Hall angle (tanΘH > 0.6) and orbital magnetic hysteresis at hole doping. There are four such states with different valley polarizations and orbital magnetizations, forming a valley-magnetic quartet. By sweeping the gate electric field E we observed a butterfly-shaped hysteresis of Rxy connecting the quartet. This hysteresis indicates a ferro-valleytronic order that couples to the composite field E\cdot B, but not the individual fields. Tuning E would switch each ferroic order independently, and achieve non-volatile switching of them together. Our observations demonstrate a new type of multiferroics and point to electrically tunable ultra-low power valleytronic and magnetic devices.

연구 동기 및 목표

• 2D 벌집 격자 재료에서 궤도 축에 의해 구동되는 다기전 현 현상을 발견하려는 동기 부여.
• 펜타레이어 로롬보헤리올 그래핀에서 저온 자화-수송을 통한 궤도 다기전 현의 시연.
• 게이트 전기장이 밸리 및 궤도 자화 상태를 어떻게 제어하는지 보이다.
• 복합장 E·B에 대한 페로이관 질서의 결합을 확인하고 E나 B만으로는 아닌지 밝히기

제안 방법

• 펜타레이어 로롬보헤리올 그래핀에 대한 저온 자화-수송 측정을 사용한다.
• 홀 도핑에서 큰 홀각(tan ΘH > 0.6)과 궤도 자 자기 히스테리시스가 나타나는Anomalous Hall 신호를 관찰한다.
• 밸리 편극/궤도 자화 상태 네 가지를 식별하여 밸리-자기화 사중주를 형성한다.
• 게이트 전기장 E를 스윕하여 사중주를 잇는 Rxy의 나비 모양 히스테리시스를 확인한다.
• 히스테리시스를 E·B에 결합된 페로-밸리트로닉 질서로 해석하고 전기적으로 페로이적 질서를 전환 가능하게 한다

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 벌집 격자 시스템에서 궤도 축에 의한 다기전 현이 스스로를 구동할 수 있는가?
• RQ2 펜타레이어 로롬보헤리올 그래핀에서 밸리 편극과 궤도 자화가 제어 가능한 사중주를 형성하는가?
• RQ3 외부 전장 게이트가 페로-밸리트로닉 질서와 자기장과의 결합에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 E-필드를 통해 밸리와 궤도 상태를 비휘발적으로 제어하는 장치-적합한 방법이 있는가?

주요 결과

• 밸리 편극 및 궤도 자화가 서로 다른 네 가지 상태로 구성된 밸리-자기화 사중주가 존재한다.
• 홀 도핑에서 tan ΘH > 0.6의 큰 홀 각과 궤도 자 자기 히스테리시스가 관찰된다.
• 게이트 전기장 E를 스윕할 때 Rxy에서 나비 형태의 히스테리시스가 나타나 사중주를 잇는다.
• 페로이 질서는 E·B라는 복합장에 결합하며 E나 B 단독에 의존하지 않는다.
• 전기장 E를 조정하면 각 페로이 질서를 독립적으로 전환할 수 있어 비휘발적 제어가 가능해 보인다