[论文解读] Designing spin-textured flat bands in twisted graphene multilayers via helimagnet encapsulation

Guangze Chen, Maryam Khosravian+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Graphene research and applications参考文献 74被引用 11

一句话总结

该论文提出通过螺旋磁性封装扭曲双层石墨烯（TBG）来实现自旋纹理平坦能带的工程化，通过近邻诱导的交换耦合实现，而无需依赖自旋轨道耦合。作者展示了在不同螺旋磁性波长和共格性条件下，自旋纹理具有鲁棒性，并预测在所得平坦能带中出现非传统超导不稳定性，从而为设计关联莫尔量子态开辟了新途径。

ABSTRACT

Twisted graphene multilayers provide tunable platforms to engineer flat bands and exploit the associated strongly correlated physics. The two-dimensional nature of these systems makes them suitable for encapsulation by materials that break specific symmetries. In this context, recently discovered two-dimensional helimagnets, such as the multiferroic monolayer NiI$_2$, are specially appealing for breaking time-reversal and inversion symmetries due to their nontrivial spin textures. Here we show that this spin texture can be imprinted on the electronic structure of twisted bilayer graphene by proximity effect. We discuss the dependence of the imprinted spin texture on the wave-vector of the helical structure, and on the strength of the effective local exchange field. Based on these results we discuss the nature of the superconducting instabilities that can take place in helimagnet encapsulated twisted bilayer graphene. Our results put forward helimagnetic encapsulation as a powerful way of designing spin-textured flat band systems, providing a starting point to engineer a new family of correlated moire states.

研究动机与目标

• 探索使用二维螺旋磁体（如单层NiI₂）破坏扭曲双层石墨烯（TBG）时间反演与空间反演对称性的可行性。
• 研究螺旋磁体的自旋纹理如何通过近邻交换耦合被映射到TBG的电子能带中。
• 确定在螺旋磁性波矢和与石墨烯晶格共格性变化时，所映射的自旋纹理的鲁棒性。
• 分析螺旋磁性封装对TBG平坦能带区超导不稳定性的影响。
• 确立螺旋磁性封装作为在范德华异质结构中工程化自旋纹理强关联莫尔态的新型平台。

提出的方法

• 在1.44°扭转角附近、平坦能带区，使用包含层间跃迁按距离和衰减参数调制的紧束缚哈密顿量建模TBG体系。
• 通过哈密顿量中的有效交换场项引入螺旋磁性封装，其中每个石墨烯层具有空间变化的磁化矢量。
• 使用波矢q和亚晶格A与B之间的相对旋转角θ₀定义螺旋磁序，上下磁体之间呈反铁磁对齐。
• 采用实空间紧束缚方法计算能带结构，包含有效交换场J₀M_l(i)·σ的影响。
• 为计算效率，应用缩放关系t₀⊥ = 0.3t，同时保持关键物理特性。
• 分析不同J₀、q和θ₀值下的能带结构与自旋纹理，以评估其鲁棒性与对称性破缺。

实验结果

研究问题

• RQ1 螺旋磁性封装是否能在不依赖本征自旋轨道耦合的情况下，在扭曲双层石墨烯的平坦能带中诱导出自旋纹理？
• RQ2 自旋纹理如何依赖于螺旋磁序的波矢q和有效交换场的强度？
• RQ3 当螺旋磁性超晶格与石墨烯亚晶格不共格时，自旋纹理能带形成是否仍具有鲁棒性？
• RQ4 所映射的自旋纹理对平坦能带区超导配对不稳定性有何影响？
• RQ5 螺旋磁性封装能否作为一种可行的、对称性破缺机制，用于工程化新型关联莫尔量子相？

主要发现

• 通过与螺旋磁体的近邻耦合，成功地将自旋纹理嵌入到扭曲双层石墨烯的平坦能带中，即使在无自旋轨道耦合条件下亦可实现。
• 自旋纹理在短波长与长波长螺旋磁性周期下均保持鲁棒，且在不同共格性条件下亦稳定。
• 当交换耦合强度J₀ = 0.033t₀且相对旋转角θ₀ = π时，能带结构表现出明显的自旋分裂与非平凡自旋纹理。
• 有效交换场诱导出动量依赖的自旋纹理，同时破缺时间反演与空间反演对称性。
• 该体系在平坦能带区支持非传统超导不稳定性，其驱动力来自工程化的自旋纹理。
• 结果表明，螺旋磁性封装是一种可行且可调的手段，可用于在扭曲石墨烯多层结构中设计自旋纹理平坦能带。