[论文解读] Cascade of isospin phase transitions in Bernal bilayer graphene at zero magnetic field

Sergio C. de la Barrera, S. H. Aronson+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Graphene research and applications参考文献 28被引用 4

一句话总结

本研究通过双栅电容传感技术调节载流子密度和位移场，在零磁场下揭示了超净双层石墨烯中的一系列同位旋相变。研究观察到在能带边缘附近的巡游铁磁态中存在自发自旋和谷极化，同时伴随增强的层极化和量子振荡，揭示了无需莫尔超晶格的本征平带关联电子物理。

ABSTRACT

Emergent phenomena arising from the collective behavior of electrons is generally expected when Coulomb interactions dominate over the kinetic energy, as in delocalized quasiparticles in highly degenerate flat bands. Bernal-stacked bilayer graphene intrinsically supports a pair of flat bands predicted to host a variety of spontaneous broken-symmetry states arising from van Hove singularities and a four-fold spin-valley (isospin) degeneracy. Here, we show that ultra-clean samples of bilayer graphene display a cascade of symmetry-broken states with spontaneous and spin and valley ordering at zero magnetic field. Using capacitive sensing in a dual-gated geometry, we tune the carrier density and electric displacement field independently to explore the phase space of transitions and probe the character of the isospin order. Itinerant ferromagnetic states emerge near the conduction and valence band edges with complete spin and valley polarization and a high degree of displacement field tunability. At larger hole densities, two-fold degenerate quantum oscillations manifest in an additional broken symmetry state that is enhanced by the application of an in-plane magnetic field. Both types of symmetry-broken states display enhanced layer polarization at low temperatures, suggesting a coupling to the layer pseudospin degree of freedom in the electronic wavefunctions. Notably, the zero-field spontaneous symmetry breaking reported here emerges in the absence of a moiré superlattice and is intrinsic to natural graphene bilayers. Thus, we demonstrate that the tunable bands of bilayer graphene represent a related, but distinct approach to produce flat band collective behavior, complementary to engineered moiré structures.

研究动机与目标

• 研究零磁场下超净Bernal堆叠双层石墨烯中的自发对称性破缺。
• 探讨由范霍夫奇点和四重自旋-谷简并性引起的平带中电子-电子相互作用的作用。
• 确定双层石墨烯中的本征能带平坦性是否可在无莫尔超晶格条件下支持关联电子态。
• 通过独立调节载流子密度和位移场，绘制同位旋有序态的相图。
• 探究关联相中自旋、谷和层赝自旋自由度之间的相互作用。

提出的方法

• 采用hBN封装和石墨烯栅极，制备双栅双层石墨烯器件以最小化电荷无序。
• 采用穿透场电容（$C_p$）测量探测电子压缩率，并检测不可压缩态。
• 通过顶栅调节载流子密度，通过底栅调节位移场，以进入相图的不同区域。
• 在40–100 mK温度下进行测量，以分辨量子振荡和不可压缩态。
• 使用低温放大器的低温电容电桥，高灵敏度测量$C_p$和微分电容（$C_{\text{diff}}$）。
• 在错位hBN堆叠上进行对照测量，确认所观测效应为双层石墨烯本征特性，而非衬底诱导的莫尔效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无莫尔超晶格条件下，双层石墨烯中是否可出现零磁场下的自发自旋和谷极化？
• RQ2 位移场如何调节电子压缩率，并驱动对称性破缺态之间的相变？
• RQ3 层赝自旋在增强或耦合到双层石墨烯中的同位旋序中起何作用？
• RQ4 压缩率中的量子振荡是否指示了对称性破缺态？其随载流子密度和场强如何演化？
• RQ5 Bernal双层石墨烯的本征平带结构如何支持与莫尔体系相当的关联相？

主要发现

• 超净双层石墨烯在零磁场下表现出一系列同位旋相变，靠近能带边缘的巡游铁磁态中实现完全自旋和谷极化。
• 巡游铁磁态可通过位移场高度调控，并在靠近导带和价带边缘的低载流子密度下出现。
• 在较大空穴密度下出现两重简并的量子振荡，且在面内磁场下增强，表明存在一种不同的对称性破缺态。
• 两种对称性破缺态在低温下均表现出增强的层极化，表明与层赝自旋自由度存在耦合。
• 所观测相变在无莫尔超晶格条件下发生，证明双层石墨烯的本征能带平坦性可支持强关联效应。
• 通过$C_p$测绘揭示的相图显示振荡位置与位移场大小呈线性依赖，证实了可调谐能带结构。