[論文レビュー] Tunable excitonic insulator in quantum limit graphite

Zengwei Zhu, R. McDonald+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 28被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、量子限界条件下におけるグラファイトにおいて、調整可能な励起子絶縁体相を同定した。46 ± 1 Tでバンドギャップが開くと同時に、遷移温度の最大値（T_EI ≈ 9.3 K）が観測された。角度に依存する磁気抵抗および温度依存測定を用いて、弱い結合と強い結合の励起子対結合領域の連続的変化を示し、磁場の向きを変えることで対結合強度を調整可能であることを明らかにした。これにより、結合強度の極端な両端をカバーする磁場調整型励起子絶縁体の直接的証明が得られた。

ABSTRACT

Half a century ago, Mott noted that tuning the carrier density of a semimetal towards zero produces an insulating state in which electrons and holes form bound pairs. It was later argued that such pairing persists even if a semiconducting gap opens in the underlying band structure, giving rise to what has become known as the strong coupling limit of an `excitonic insulator.' While these `weak' and `strong' coupling extremes were subsequently proposed to be manifestations of the same excitonic state of electronic matter, the predicted continuity of such a phase across a band gap opening has not been realized experimentally in any material. Here we show the quantum limit of graphite, by way of temperature and angle-resolved magnetoresistance measurements, to host such an excitonic insulator phase that evolves continuously between the weak and strong coupling limits. We find that the maximum transition temperature T_EI of the excitonic phase is coincident with a band gap opening in the underlying electronic structure at B_0= 46 +/- 1 T, which is evidenced above T_EI by a thermally broadened inflection point in the magnetoresistance. The overall asymmetry of the observed phase boundary around B_0 closely matches theoretical predictions of a magnetic field-tuned excitonic insulator phase in which the opening of a band gap marks a crossover from predominantly momentum-space pairing to real-space pairing.

研究の動機と目的

• グラファイトにおける量子限界条件下での磁場誘起絶縁相の性質を同定すること。
• この相転移が、電子構造におけるバンドギャップの開口によって駆動されているかどうかを特定すること。
• 磁場の向きと強さを用いた励起子絶縁体相の調整可能性を調査すること。
• 最大遷移温度 T_EI とランダウ準位のサブバンドにおけるバンドギャップの発生との関係を確立すること。
• 長年の疑問である、量子限界状態のグラファイト相における対称性の破れおよび対結合メカニズムを解明すること。

提案手法

• 最大90 Tの高磁場下での、面内（R_xx）および面間（R_zz）抵抗の温度および角度に依存する磁気抵抗測定。
• バンド構造の不連続性を示す、B₀ = 46 ± 1 Tにおける熱的に広がった変曲点を検出するため、∂R_zz/∂B の解析。
• 磁場の回転角（θ）を用いて有効な磁場長を調整し、キャリア密度とは独立に対結合強度をプローブすること。
• アブリコソフの平均場理論を含む、磁場調整型励起子絶縁体の理論モデルと実験的相転移境界を比較すること。
• タカダとゴトウのモデルを用いたランダウ準位サブバンド分散のスペクトル解析により、電子およびホールサブバンドのマッピングとギャップ開口における反交叉を評価すること。
• スピンおよび軌道の調整を用いた相境界のフィッティングにより、T_EI が B cosθ に依存することを抽出し、磁場長と逆相関であることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場誘起絶縁相の最大遷移温度 T_EI が、グラファイトの電子構造におけるバンドギャップの開口と一致するか？
• RQ2 グラファイトにおける励起子対結合の弱い結合および強い結合の極限において、対結合メカニズムはどのように進化するか？
• RQ3 磁場の向きを用いることで、キャリア密度とは独立に励起子絶縁体相における対結合強度を調整可能か？
• RQ4 量子限界状態のグラファイトにおける励起子絶縁体相に関連する対称性の破れの性質は何か？
• RQ5 観測された相境界は、磁場調整型励起子絶縁体の理論的予測と整合しているか？

主な発見

• 最大遷移温度 T_EI ≈ 9.3 K が、T_EI よりも高い温度で R_zz の熱的に広がった変曲点が観測された B₀ = 46 ± 1 T におけるバンドギャップの開口と正確に一致している。
• 冷却に伴い、∂R_zz/∂B の変曲点が鋭くなることから、B₀ において電子バンド構造の不連続性が生じ、ギャップの開口と整合することが示された。
• B₀回りの相境界は、磁場調整型励起子絶縁体の理論予測と一致する非対称な形状を示し、運動量空間から実空間への対結合へのクロスオーバーが観測された。
• 角度依存測定から、T_EI が磁場の角度 θ が増加するに従い減少し、B cosθ にほぼ線形に比例することが判明。これは磁場長に逆比例することを示唆している。
• 励起子相領域は θ の増加に伴い縮小し、T_EI は約70°以上で消滅すると予想され、これは平面内での磁場強度が約100 Tに相当する。
• B₀ における T_EI の最大値の観測は、弱い結合と強い結合の極限の間で連続的な変化が生じることを支持しており、両領域を結ぶ単一の励起子絶縁体相が存在することを示唆している。