[论文解读] Electric field control of spins in bilayer graphene: Local moment formation and local moment interactions

Matthew Killi, Dariush Heidarian+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2011

Quantum and electron transport phenomena参考文献 48被引用 35

一句话总结

本文通过平均场安德森杂质模型研究双层石墨烯（BLG）中局域磁矩及其相互作用的电场调控。结果表明，施加垂直电场可通过调节杂质能级相对于BLG带隙的位置，实现对局域磁矩的开启或关闭，同时通过能带结构工程实现对RKKY相互作用的动态调控。

ABSTRACT

We study local moment formation for adatoms on bilayer graphene (BLG) within a mean-field theory of the Anderson impurity model. The wavefunctions of the BLG electrons induce strong particle-hole asymmetry and band dependence of the hybridization, which is shown to result in unusual features in the impurity model phase diagram. We also study the effect of varying the chemical potential, as well as varying an electric field perpendicular to the bilayer; the latter modifies the density of states of electrons in BLG and, more significantly, shifts the impurity energy. We show that this leads to regimes in the impurity phase diagram where local moments can be turned on or off by applying modest external electric fields. Finally, we show that the RKKY interaction between local moments can be varied by tuning the chemical potential (as has also been suggested in monolayer graphene) or, more interestingly, by tuning the electric field so that it induces changes in the band structure of BLG.

研究动机与目标

• 理解双层石墨烯晶胞中心吸附原子上的局域磁矩形成如何受电子结构和外场影响。
• 研究粒子-空穴不对称性与能带依赖杂化在塑造杂质相图中的作用。
• 探讨垂直于双层石墨烯的外电场如何调节杂质能级并控制局域磁矩的形成。
• 研究通过电场和化学势调节实现对局域磁矩间RKKY相互作用的可调性。
• 对比手征性BLG与非手性模型体系，以分离BLG独特能带结构的影响。

提出的方法

• 为双层石墨烯上晶胞中心的吸附原子构建一个安德森杂质模型，包含能带结构、杂化作用及电子-电子相互作用。
• 应用平均场理论求解杂质模型，包括具有动量和能带依赖耦合的自能修正。
• 采用最小紧束缚模型描述BLG的电子色散关系，包含最近邻和层间跃迁（t = 1，t⊥ ≈ 0.15t）。
• 引入垂直电场（偏压）以分裂能带并移动杂质能级，从而实现对有效化学势的调控。
• 通过扫掠化学势和偏压构建相图，识别局域磁矩形成和库仑阻塞的区域。
• 与一个虚构的非手性体系比较，该体系具有相同的态密度但无能带或动量依赖性，以分离手性效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用外电场在双层石墨烯中实现局域磁矩的开启或关闭？
• RQ2 BLG中手征性、能带依赖的杂化如何影响局域磁矩的形成，与传统体系相比有何不同？
• RQ3 粒子-空穴不对称性和能带结构在决定BLG中安德森杂质模型相图中的作用是什么？
• RQ4 如何通过电场或化学势调节来调控局域磁矩之间的RKKY相互作用？
• RQ5 BLG独特的波函数在多大程度上导致非平凡的自能和谱峰位置重整化？

主要发现

• 施加垂直电场可移动杂质能级，即使电场微小变化也能实现局域磁矩的开启或关闭。
• 存在一个区域，其中任意有限U均能导致局域磁矩形成，这在相图中当杂质能级位于带隙中心时可被识别。
• 由于手征性波函数和动量依赖杂化，自能获得较大的实部并表现出非平凡的频率依赖性，从而重整化谱峰位置。
• 相图表现出强烈的粒子-空穴不对称性和能带依赖性，与传统体系不同，这源于BLG准粒子的手征性。
• 通过调节化学势或施加改变BLG能带结构的电场，可调控局域磁矩之间的RKKY相互作用。
• 与非手性体系的对比结果证实，手征性杂化和能带结构是导致观察到的非平凡相图特征的关键因素。