[论文解读] Non-Monotonic Temperature Dependence of Coulomb Drag Peaks in Graphene

Derek Y. H. Ho, Indra Yudhistira+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出了一种有效的介质理论，通过考虑载流子密度的空间非均匀性，解释了石墨烯中库仑拖曳峰非单调温度依赖性的原因，解决了长期以来同质理论模型与实验数据之间的矛盾。该模型揭示了非单调拖曳行为以及在双电荷中性点处的负动量拖曳，同时预测在相关密度涨落条件下，Onsager互易性将发生破坏。

ABSTRACT

Coulomb drag is a direct measurement of the electron-electron interactions between two electronic layers. Graphene is a versatile electronic material with a high-degree of tunability opening up regimes that were not previously accessible. All previous theoretical studies of graphene Coulomb drag away from charge neutrality assume a spatially homogeneous carrier density which gives a peak in the Coulomb drag that decreases with temperature in contradiction to available experimental results. In this work, we develop an effective medium theory for Coulomb drag and show that including spatial inhomogeneity in the carrier density gives rise to a non-monotonic temperature dependence of the drag peaks that is in quantitative agreement with experimental data. Our results also show that at double-charge neutrality, there is a large negative momentum drag for correlated density fluctuations that competes with energy drag and is also non-monotonic with temperature. In addition, we show that when the density fluctuations in the two layers are correlated, the disordered theory has less symmetry than the homogeneous case, giving rise to a violation of Onsager reciprocity between the active and passive layers.

研究动机与目标

• 解决理论预测的拖曳单调衰减与实验观察到的石墨烯中非单调拖曳峰之间的矛盾。
• 开发一种理论框架，纳入先前同质模型中缺失的空间非均匀载流子密度。
• 研究相关密度涨落在主动层与被动层之间破坏Onsager互易性中的作用。
• 解释双电荷中性点处大负动量拖曳的产生及其温度依赖性。
• 为实验中观察到的库仑拖曳峰非单调温度行为提供定量解释。

提出的方法

• 开发一种有效介质理论，以模拟具有空间非均匀载流子密度的石墨烯中的库仑拖曳。
• 引入无序平均方法，以考虑两层中的相关密度涨落。
• 使用线性响应形式化方法计算能量与动量拖曳贡献。
• 分析无序系统的对称性性质，以评估互易性破坏。
• 将理论预测与实验数据进行比较，以验证非单调温度依赖性。
• 推导动量拖曳变为负值且与温度非单调的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何石墨烯中的库仑拖曳峰表现出与同质理论预测相反的非单调温度依赖性？
• RQ2 载流子密度的空间非均匀性如何影响石墨烯中库仑拖曳的温度依赖性？
• RQ3 石墨烯中双电荷中性点处负动量拖曳的起源及其大小是什么？
• RQ4 在何种条件下，两层石墨烯之间库仑拖曳的Onsager互易性会失效？
• RQ5 两层中相关密度涨落如何改变系统的对称性与输运性质？

主要发现

• 载流子密度的空间非均匀性导致库仑拖曳峰呈现非单调温度依赖性，与实验观察定量吻合。
• 在双电荷中性点处，出现大的负动量拖曳，其温度依赖性亦为非单调，并与能量拖曳竞争。
• 相关密度涨落破坏了无序系统的对称性，导致主动层与被动层之间Onsager互易性被破坏。
• 有效介质理论成功再现了同质模型失败的实验拖曳数据。
• 该理论揭示，在特定条件下动量拖曳可变为负值，表明动量传递方向发生反转。
• 互易性破坏直接与由于相关涨落导致无序系统对称性丧失相关。