[论文解读] Interaction-driven spontaneous broken-symmetry insulator and metals in ABCA tetralayer graphene

Kai Liu, Jian Zheng+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2023

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

本研究通过近场红外成像与量子输运测量，揭示了ABC A堆叠的四层石墨烯中由电子关联驱动的自发对称性破缺态。在零载流子密度和零电位移场条件下，观测到一个15 meV的层反铁磁绝缘体态，并可通过同时调控载流子密度与电位移场，实现向层极化绝缘体和同位旋极化金属态的可调转变。结果确立了多层石墨烯作为研究由库仑相互作用驱动的对称性破缺量子态的可调平台。

ABSTRACT

Interactions among charge carriers in graphene can lead to the spontaneous breaking of multiple degeneracies. When increasing the number of graphene layers following rhombohedral stacking, the dominant role of Coulomb interactions becomes pronounced due to the significant reduction in kinetic energy. In this study, we employ phonon-polariton assisted near-field infrared imaging to determine the stacking orders of tetralayer graphene devices. Through quantum transport measurements, we observe a range of spontaneous broken-symmetry states and their transitions, which can be finely tuned by carrier density n and electric displacement field D. Specifically, we observe a layer antiferromagnetic insulator at n = D = 0 with a gap of approximately 15 meV. Increasing D allows for a continuous phase transition from a layer antiferromagnetic insulator to a layer polarized insulator. By simultaneously tuning n and D, we observe isospin polarized metals, including spin-valley-polarized and spin-polarized metals. These transitions are associated with changes in Fermi surface topology and are consistent with the Stoner criteria. Our findings highlight the efficient fabrication of specially stacked multilayer graphene devices and demonstrate that crystalline multilayer graphene is an ideal platform for investigating a wide range of broken symmetries driven by Coulomb interactions.

研究动机与目标

• 研究电子-电子关联在诱导特殊堆叠的多层石墨烯中自发对称性破缺的作用。
• 识别并表征ABC A堆叠四层石墨烯中由强关联效应产生的新型量子相，如绝缘体和金属态。
• 探索通过独立调控载流子密度与电位移场，对这些量子相的可调性。
• 确立晶体多层石墨烯作为研究由库仑相互作用驱动的涌现量子现象的稳健平台。

提出的方法

• 采用声子-极化子辅助的近场红外成像技术，明确确定四层石墨烯器件中的堆叠顺序。
• 开展量子输运测量，探测载流子密度（n）与电位移场（D）依赖的电子相。
• 利用空间分辨红外光谱，绘制局域电子响应，确认对称性破缺态的存在。
• 应用Stoner判据，基于费米面拓扑结构的变化，分析极化金属态的出现机制。
• 系统性调节n与D，绘制绝缘体与金属态之间对称性破缺相的相边界。
• 结合实验数据与自旋-谷和层极化态的理论预期，解释观测到的相变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于电子-电子关联作用，ABC A堆叠的四层石墨烯中会涌现出哪些类型的自发对称性破缺态？
• RQ2 载流子密度与电位移场如何调控不同对称性破缺相之间的转变？
• RQ3 在零载流子密度与零电位移场条件下，绝缘态的性质是什么？其能隙大小是多少？
• RQ4 费米面拓扑结构的变化如何与同位旋极化金属态的出现相关联？
• RQ5 Stoner判据在多大程度上能够解释该体系中观测到的相变行为？

主要发现

• 在零载流子密度与零电位移场条件下，观测到一个15 meV的层反铁磁绝缘体态，表明存在强烈的关联效应。
• 通过增加电位移场，实现了从层反铁磁绝缘体到层极化绝缘体的连续相变。
• 在同时调控载流子密度与电位移场的条件下，观测到同位旋极化的金属态，包括自旋-谷极化与自旋极化的金属。
• 相变过程伴随着可测量的费米面拓扑结构变化，与磁不稳定性下的Stoner判据一致。
• 实验相图揭示了丰富的对称性破缺态景观，包括绝缘相与金属相，可通过电场栅压实现可调。
• 近场红外成像与输运测量的结合，实现了对器件中堆叠顺序与电子相的明确识别。