[论文解读] Spin and Orbital Metallic Magnetism in Rhombohedral Trilayer Graphene

Chunli Huang, Tobias Wolf+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Graphene research and applications被引用 6

一句话总结

本文提出，在大位移场作用下，菱面体三原子层石墨烯中的动量空间凝聚驱动了自旋和轨道金属磁性，通过自旋/谷度规对称性破缺导致费米面重构。关键结果是，从紧凑化的微小内层空穴型费米面中产生向列序，解释了观测到的量子振荡频率分数化现象，并将部分同位旋极化态识别为谷-XY向列金属。

ABSTRACT

We provide a complete theoretical interpretation of the metallic broken spin/valley symmetry states recently discovered in ABC trilayer graphene (ABC) perturbed by a large transverse displacement field. Our conclusions combine insights from ABC trilayer graphene electronic structure models and mean field theory, and are guided by precise magneto-oscillation Fermi-surface-area measurements. We conclude that the physics of ABC trilayer graphene is shaped by the principle of momentum-space condensation, which favors Fermi surface reconstructions enabled by broken spin/valley flavor symmetries when the single-particle bands imply thin annular Fermi seas. We find one large outer Fermi surface enclosed majority-flavor states and one or more small inner hole-like Fermi surfaces enclosed minority-flavor states that are primarily responsible for nematic order. The smaller surfaces can rotate along a ring of van-Hove singularities or reconstruct into multiple Fermi surfaces with little cost in energy. We propose that the latter property is responsible for the quantum oscillation frequency fractionalization seen experimentally in some regions of the carrier-density/displacement-field phase diagram.

研究动机与目标

• 解释在大垂直位移场下，ABC三原子层石墨烯中实验观测到的金属态自旋/谷度规对称性破缺态。
• 阐明费米面拓扑结构与电子关联在稳定非传统磁性与向列相中的作用。
• 阐明载流子密度/位移场相图中量子振荡频率分数化的起源。
• 在SU(4)自旋-谷对称性破缺的背景下，区分自旋极化与谷极化态。
• 预测在低密度区域、范霍夫奇点附近，向列态及潜在的Wigner晶体态的出现。

提出的方法

• 结合ABC三原子层石墨烯的有效电子结构模型与平均场理论，描述关联电子态。
• 将磁振荡费米面面积测量作为关键约束，推断费米面拓扑结构与对称性破缺模式。
• 应用含库仑相互作用的SU(4)自旋-谷对称哈密顿量，模拟竞争性磁序。
• 将动量空间凝聚识别为驱动力，当单粒子能带形成细环状费米海时，该机制偏好费米面面积最小化的状态。
• 分析李斯蒂兹转变（ALT与SPLT），其通过形成电子口袋或破坏环状结构改变费米面拓扑。
• 通过总能与交换能计算，以每空穴低于1 μeV的精度评估有序态之间的能量差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大位移场下，是什么驱动了ABC三原子层石墨烯中自旋与谷有序金属态的形成？
• RQ2 为何在相图的某些区域中，量子振荡频率出现分数化？
• RQ3 费米面拓扑与电子关联的相互作用如何稳定向列序？
• RQ4 在SU(4)对称框架下，是什么决定了对谷-XY向列序的偏好，而非自旋极化态？
• RQ5 少数空穴费米面是否能在低能成本下重构为紧凑且各向异性的形状，以及这对输运有何影响？

主要发现

• 部分同位旋极化（PIP）态被识别为谷-XY向列金属，其由微小内层空穴型费米面的紧凑化所稳定。
• 费米面重构由动量空间凝聚驱动，该机制偏好少数种类费米面面积最小化的状态。
• 量子振荡频率的分数化源于通过重构形成的多个微小内层费米面，且能量成本极低。
• 谷-XY向列态与自旋极化态之间的能量差小于每空穴20 μeV，表明由于SU(4)对称性导致的近简并。
• 在低位移场下，自旋涨落抑制磁序，解释了磁性逐渐衰减至顺磁相的现象。
• 在低密度下可能形成Wigner晶体态，同时破缺平移对称性与C3对称性，其能量低于常规六角晶格结构，原因在于k空间中的范霍夫奇点。