[论文解读] Ferroelectric-type Excitonic Instability in Bilayer Graphene

Rahul Nandkishore, Leonid Levitov|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2009

Graphene research and applications被引用 1

一句话总结

本文提出，无掺杂双层石墨烯中的电子相互作用会诱导出一种铁电型激发子不稳定性，打破‘哪一层’的对称性，并在狄拉克点打开能隙，即使在相互作用极其微弱时也是如此。通过使用动态屏蔽库仑相互作用和动态生成的紫外截断的受控理论，该研究预测了能隙与相互作用强度之间的幂律标度关系，使得该效应在实验上可观测。

ABSTRACT

Electron interactions in undoped bilayer graphene lead to instability of the gapless state, `which-layer' symmetry breaking, and energy gap opening at the Dirac point. In contrast to single layer graphene, the bilayer system exhibits instability even for arbitrarily weak interaction. A controlled theory of this instability for realistic dynamically screened Coulomb interactions is developed, with full acount of dynamically generated ultraviolet cutoff. This leads to an energy gap that scales as a power law of the interaction strength, making the excitonic instability readily observable.

研究动机与目标

• 理解无掺杂双层石墨烯中无能隙态因电子相互作用而产生的不稳定性。
• 识别双层石墨烯中‘哪一层’对称性破缺的机制。
• 为具有真实、动态屏蔽库仑相互作用的激发子不稳定性，建立一个受控的理论框架。
• 确定能隙与相互作用强度之间的标度行为。

提出的方法

• 使用动态屏蔽库仑相互作用，为双层石墨烯中的电子相互作用构建多体理论。
• 引入动态生成的紫外截断以正则化理论，而无需引入人为参数。
• 应用受控的微扰方法，分析狄拉克点附近的不稳定性。
• 在层对称性破缺的条件下，求解激发子关联的贝特-萨皮特方程。
• 利用重整化群技术，推导出能隙作为相互作用强度的函数。
• 验证了该能隙对顶点修正以及粒子-空穴通道中顶点修正的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 无掺杂双层石墨烯中无能隙态的不稳定性是由什么机制驱动的？
• RQ2 ‘哪一层’对称性破缺如何导致双层石墨烯中能隙的形成？
• RQ3 为何双层石墨烯中的激发子不稳定性即使在电子相互作用极其微弱时也具有鲁棒性？
• RQ4 能隙与电子相互作用强度之间的函数依赖关系是什么？
• RQ5 由于其标度行为，预测的能隙是否可在实验中可观测？

主要发现

• 无掺杂双层石墨烯中的电子相互作用会诱导出一种铁电型激发子不稳定性，打破‘哪一层’对称性。
• 该不稳定性即使在电子相互作用极其微弱时，也会在狄拉克点产生有限的能隙。
• 能隙与相互作用强度之间呈幂律标度关系，使得该效应可被实验探测。
• 该理论考虑了动态屏蔽库仑相互作用和动态生成的紫外截断，确保与物理约束的一致性。
• 该能隙在顶点修正下保持稳定，证实了不稳定性机制的鲁棒性。
• 结果表明，双层石墨烯可实现可调的、由相互作用驱动的量子相变，其在输运和谱学测量中可观测。