[論文レビュー] Zero-field spin resonance in graphene with proximity-induced spin-orbit coupling

Abhishek Kumar, Saurabh Maiti+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2021

Graphene research and applications参考文献 59被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、近接効果によって誘起されるラシバおよびバルク-ゼーマンスピンオービット結合を有するグラフェンが、一様な磁化とバルクスタガレート磁化の結合振動に起因するゼロ磁場スピン共鳴モードを支持することを提案している。この共鳴モードは電子スピン共鳴（ESR）および電気双極子スピン共鳴（EDSR）で検出可能である。電子-電子相互作用により、ESRおよびEDSRのピークが二重に分裂し、他の手法では得られないスピンオービット結合定数および多体相互作用パラメータの抽出が可能になる。

ABSTRACT

We investigate collective spin excitations in graphene with proximity-induced spin-orbit coupling (SOC) of the Rashba and valley-Zeeman types, as it is the case, e.g., for graphene on transition- metal-dichalcogenide substrates. It is shown that, even in the absence of an external magnetic field, such a system supports collective modes, which correspond to coupled oscillations of the uniform and valley-staggered magnetizations. These modes can be detected via both zero-field electron spin resonance (ESR) and zero-field electric-dipole spin resonance (EDSR), with EDSR response coming solely from Rashba SOC. We analyze the effect of electron-electron interaction within the Fermi- liquid kinetic equation and show that the interaction splits both the ESR and EDSR peaks into two. The magnitude of splitting and the relative weights of the resonances can be used to extract the spin-orbit coupling constants and many-body interaction parameters that may not be accessible by other methods.

研究の動機と目的

• 外部磁場が存在しない状況下で、近接効果によって誘起されたラシバおよびバルク-ゼーマンスピンオービット結合を有するグラフェンにおける集団的スピン励起状態を調査すること。
• 電子-電子相互作用が二バルク系におけるスピン共鳴モードをどのように再正規化するかを特定すること。
• ESRおよびEDSRが、遷移金属ジカルコヒドリド基板上に存在するグラフェンにおけるラシバおよびバルク-ゼーマンスピンオービット結合の寄与を区別できることを示し、グラフェンにおける未解決の論争に寄与すること。
• 測定可能なESRおよびEDSRスペクトルから、従来の手法では入手不可能だったスピンオービット結合定数および多体相互作用パラメータを抽出する手法を提供すること。

提案手法

• 基板に起因するギャップを含む、ラシバ、バルク-ゼーマン、および内在的ケイン＝メレースピンオービット結合項を含む低エネルギーハミルトニアンを構築する。
• スピンおよびスピン-バルクチャンネルにおける電子-電子相互作用を記述するため、二バルク系に拡張されたフェルミ液体理論を適用する。
• バルク-ゼーマンスピンオービット結合によって媒介される、一様磁化とバルクスタガレート磁化の両方の振動の結合モードとして、系の固有モードを導出する。
• 運動方程式のアプローチを用いてESRおよびEDSR応答関数を計算し、再正規化されたスピンおよびバルク感受率を介して相互作用効果を組み込む。
• ラシバSOCがEDSRを可能にする役割と、バルク-ゼーマンSOCが二つの磁化セクターを結合する役割を分析する。
• フェルミ液体アプローチを用いて、相互作用に起因するモード混合によって生じるESRおよびEDSRスペクトルのピーク分裂を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場が存在しない状況下でも、近接効果によるスピンオービット結合を有するグラフェンに集団的スピンモードが存在可能か？
• RQ2 ラシバおよびバルク-ゼーマンスピンオービット結合を有するグラフェンにおいて、電子-電子相互作用はスピン共鳴ピークの構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ESRおよびEDSRは、遷移金属ジカルコヒドリド基板上に存在するグラフェンにおけるラシバおよびバルク-ゼーマンスピンオービット結合の寄与を区別できるか？
• RQ4 ESRおよびEDSRピークの分裂が、スピンオービット結合および多体相互作用パラメータの相対的強度をどの程度まで明らかにするか？

主な発見

• 外部磁場が存在しない状況下で、ラシバおよびバルク-ゼーマンスピンオービット結合を有するグラフェンは、一様磁化とバルクスタガレート磁化の結合振動に起因する集団的スピンモードを支持する。
• ESRおよびEDSRスペクトルは、電子-電子相互作用およびバルク-ゼーマンスピンオービット結合によって媒介される二つの磁化セクター間の結合により、それぞれ二重のピークに分裂する。
• ピーク分裂の大きさおよび共鳴の相対的強度は、バルク-ゼーマンスピンオービット結合の強さおよび電子-電子相互作用パラメータに依存する。
• EDSR応答は、唯一ラシバスピンオービット結合に起因して生じるが、バルク-ゼーマン結合が存在する場合にはESRは両方のモードを検出する。
• ラシバ結合が存在しない場合、EDSRはエネルギー ω ∼ 2µ にしきい値を有する連続スペクトルを示す。ここで µ は化学ポテンシャルである。
• 観測されたESRおよびEDSRの分裂は、従来の手法では入手不可能だったスピンオービット結合定数および多体相互作用パラメータを直接抽出する実験的手法を提供する。