[论文解读] Field-induced Kosterlitz-Thouless transition in the N=0 Landau level of graphene

Kentaro Nomura, Shinsei Ryu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2009

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

该论文提出，在石墨烯的ν=0处，场诱导的Kosterlitz-Thouless（KT）相变源于N=0 Landau能级中的自发XY赝自旋序，其中带电涡旋与反涡旋介导了电阻率发散。这一双重机制通过由无序或磁场驱动的涡旋解绑定，解释了观测到的KT型电阻率发散和高电阻金属态。

ABSTRACT

At the charge neutral point, graphene exhibits a very unusual high resistance metallic state and a transition to a complete insulating phase in a strong magnetic field. We propose that the current carriers in this state are the charged vortices of the XY valley pseudospin order-parameter, a situation which is dual to a conventional thin superconducting film. We study energetics and the stability of this phase in the presence of disorder.

研究动机与目标

• 解释在高迁移率石墨烯中ν=0处观测到的异常场诱导Kosterlitz-Thouless（KT）电阻率发散现象。
• 解决传统实自旋或CDW模型与观测到的高电阻金属态及KT型电阻率发散之间的不一致性。
• 提出一种基于N=0 Landau能级中自发谷间相干态与XY赝自旋序的新机制。
• 建立石墨烯中涡旋介导输运与薄膜超导体中库珀对涡旋动力学之间的对偶性。
• 为无序和磁场下赝自旋有序相的稳定性和能量学提供理论框架。

提出的方法

• 提出一个具有N=0 Landau能级轨道间谷间相干叠加的基态波函数，以U(1)相位φ参数化，代表XY赝自旋序。
• 将低能激发建模为由拓扑相互作用束缚的带电涡旋与反涡旋，其电荷由核心处的谷-自旋极化决定。
• 应用KT理论，描述涡旋-反涡旋对在磁场或无序作用下的解绑定相变。
• 通过与薄膜超导体的对偶性，将涡旋电流响应映射为电阻率，推导出ρ ∝ ξ² ∝ e^{a/√(Bc−B)}。
• 将哈密顿量投影到N=0 Landau能级，聚焦于库仑交换能与赝自旋对称性破缺。
• 分析无序与杂质在屏蔽涡旋束缚中的作用，触发KT相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在高磁场下，石墨烯在ν=0处纵向电阻Rxx随e^{a/√(Bc−B)}发散？
• RQ2 在高迁移率石墨烯中，Bc以下观测到的高电阻金属态的微观起源是什么？
• RQ3 如何将观测到的KT型行为与涉及实自旋极化或电荷密度波序的传统模型相协调？
• RQ4 导致ν=0处N=0 Landau能级分裂的破缺对称性态的本质是什么？
• RQ5 石墨烯中涡旋输运与超导体中涡旋动力学之间的对偶性如何解释电阻率发散？

主要发现

• KT型电阻率发散Rxx ∝ e^{a/√(Bc−B)}源于XY赝自旋有序相中涡旋-反涡旋对的解绑定。
• 带电涡旋与反涡旋在有序相中成对束缚，形成中性对，但在Bc以上因无序屏蔽或磁场降低而解体。
• 涡旋密度n_vtx ∝ 1/ξ²，且由于ξ ∝ e^{a/√(Bc−B)}，电阻率按KT理论预测的方式发散。
• 该系统与薄膜超导体对偶，其中石墨烯中的涡旋电流对应于超导体中的电场，导致电阻率按ξ²缩放。
• 所提出的谷间相干态破缺子晶格对称性，并支持具有拓扑缺陷的Kekulé型键密度波序，其零模式被局域在缺陷处。
• 赝自旋超流是自旋单重态且不具自旋极化，与双层量子霍尔系统相区别。