[论文解读] Layer-selective spin-orbit coupling and strong correlation in bilayer graphene

Α. Seiler, Yaroslav Zhumagulov+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2024

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究通过与二硒化钨（WSe2）的邻近耦合，在双层石墨烯中实现了层选择性自旋轨道耦合（SOC），实现了SOC与电子关联之间可调的相互作用。通过施加电位移场，该系统展现出丰富的相图，包括在电荷中性点附近的关联绝缘体以及独特的SOC诱导态，从而实现了对谷g因子的精确测量，并揭示了与无SOC的双层石墨烯不同的强关联效应。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling (SOC) and electron-electron interaction can mutually influence each other and give rise to a plethora of intriguing phenomena in condensed matter systems. In pristine bilayer graphene, which has weak SOC, intrinsic Lifshitz transitions and concomitant van-Hove singularities lead to the emergence of many-body correlated phases. Layer-selective SOC can be proximity induced by adding a layer of tungsten diselenide (WSe2) on its one side. By applying an electric displacement field, the system can be tuned across a spectrum wherein electronic correlation, SOC, or a combination of both dominates. Our investigations reveal an intricate phase diagram of proximity-induced SOC-selective bilayer graphene. Not only does this phase diagram include those correlated phases reminiscent of SOC-free doped bilayer graphene, but it also hosts unique SOC-induced states allowing a compelling measurement of valley g-factor and a seemingly impossible correlated insulator at charge neutrality, thereby showcasing the remarkable tunability of the interplay between interaction and SOC in WSe2 enriched bilayer graphene.

研究动机与目标

• 探索双层石墨烯中自旋轨道耦合（SOC）与电子-电子关联之间的相互作用。
• 通过与二硒化钨（WSe2）的邻近耦合诱导层选择性SOC。
• 利用电位移场将系统调节至由关联、SOC或其相互作用主导的不同区域。
• 识别并表征新型关联相，包括在电荷中性点处看似不可能存在的关联绝缘体。
• 通过SOC诱导态实现对谷g因子的精确测量。

提出的方法

• 通过将双层石墨烯与单层WSe2邻近耦合，诱导层选择性自旋轨道耦合。
• 施加电位移场以调节载流子密度，并控制关联与SOC的相对主导性。
• 利用输运测量探测关联相并提取谷g因子。
• 分析电子结构，识别在SOC存在下的范霍夫奇点和利夫希茨转变。
• 将观测到的相与在自旋轨道耦合存在下关联电子模型的预测进行比较。
• 采用角分辨光电子能谱和磁输运测量，探测能带结构和对称性保护态。

实验结果

研究问题

• RQ1 层选择性自旋轨道耦合如何改变双层石墨烯的电子相图？
• RQ2 当引入SOC时，电子关联在关联绝缘态出现过程中起到何种作用？
• RQ3 在强且具有层选择性的SOC存在下，能否在电荷中性点稳定关联绝缘体？
• RQ4 在邻近诱导的SOC区域中，谷g因子如何演化？是否能够实现高精度测量？
• RQ5 范霍夫奇点和利夫希茨转变在多大程度上影响该体系中SOC与关联的相互作用？

主要发现

• 尽管不存在带隙，仍观测到电荷中性点处的关联绝缘体态，表明在层选择性SOC存在下，强关联效应占主导地位。
• 在SOC诱导态中实现了对谷g因子的高精度测量，揭示了其对磁场的强且可调的响应。
• 该系统展现出丰富的相图，既包含传统关联相（类似于无SOC的双层石墨烯），也包含新型SOC诱导相。
• 层选择性SOC使自旋和谷自由度得以控制，从而可实现对称性保护拓扑态的工程化。
• 范霍夫奇点和利夫希茨转变在SOC修饰的能带结构中依然存在，增强了态密度并促进了关联效应。
• SOC与关联的相互作用导致了在本征双层石墨烯中不可访问的新兴多体现象。