[论文解读] Spin-orbit driven ferromagnetism at half moir\'e filling in magic-angle twisted bilayer graphene

Jiangxiazi Lin, Yahui Zhang+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2021

Graphene research and applications参考文献 45被引用 145

一句话总结

本研究展示了在tBLG/WSe2异质结中，由自旋-轨道耦合（SOC）驱动的铁磁性，其中临近诱导的SOC将半摩尔填充处的莫特绝缘体转变为强鲁棒的铁磁体，表现为磁滞异常霍尔效应及通过面内或垂直电场与磁场的可调磁序。所观测到的铁磁性源于具有非零陈数的谷极化态，实现了在摩尔超晶格系统中的拓扑工程。

ABSTRACT

Strong electron correlation and spin-orbit coupling (SOC) provide two non-trivial threads to condensed matter physics. When these two strands of physics come together, a plethora of quantum phenomena with novel topological order have been predicted to emerge in the correlated SOC regime. In this work, we examine the combined influence of electron correlation and SOC on a 2-dimensional (2D) electronic system at the atomic interface between magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) and a tungsten diselenide (\WSe) crystal. In such a structure, strong electron correlation within the moir\'e flatband stabilizes correlated insulating states at both quarter and half-filling, whereas SOC transforms these Mott-like insulators into ferromagnets, evidenced by robust anomalous Hall effect with hysteretic switching behavior. The coupling between spin and valley degrees of freedom is unambiguously demonstrated as the magnetic order is shown to be tunable with an in-plane magnetic field, or a perpendicular electric field. In addition, we examine the influence of SOC on the isospin order and stability of superconductivity. Our findings establish an efficient experimental knob to engineer topological properties of moir\'e bands in twisted bilayer graphene and related systems.

研究动机与目标

• 研究魔角扭曲双层石墨烯（tBLG）在tBLG/WSe2界面处电子关联与自旋-轨道耦合（SOC）的相互作用。
• 确定临近诱导的SOC是否能在原本受谷间Hund耦合抑制的半摩尔填充处稳定铁磁序。
• 探索通过面内磁场与垂直电场对磁序与拓扑序的可调性。
• 考察SOC对同位旋序的影响及其在关联摩尔超晶格中对超导配对稳定性的作用。

提出的方法

• 通过在hBN和石墨烯之间封装tBLG并用多层WSe2覆盖，制备范德华异质结，以诱导强临近SOC。
• 在毫开尔文温度下进行输运测量，探测纵向电阻（Rxx）与横向电阻（Rxy）随载流子浓度、磁场与栅压的变化。
• 施加垂直与面内磁场，以探测磁滞行为与自旋-谷锁定。
• 采用双栅结构，通过顶栅与背栅调节载流子浓度（ntBLG）与电场（D），实现对同位旋与谷自由度的调控。
• 通过朗道能级扇形图与霍尔电阻磁滞回线分析，提取陈数并识别拓扑相变。
• 基于含伊sing与Rashba SOC项（λI, λR）的摩尔能带理论模型，解释观测到的非零谷陈数与磁序。

实验结果

研究问题

• RQ1 临近诱导的自旋-轨道耦合是否能在tBLG中于半摩尔填充处稳定铁磁序，尽管该序通常被谷间Hund耦合所抑制？
• RQ2 电子关联与SOC的结合如何导致具有非零陈数的谷极化、拓扑非平庸态？
• RQ3 通过面内磁场或垂直电场对磁序的可调程度如何？这揭示了自旋-谷锁定的何种信息？
• RQ4 SOC在稳定或破坏关联绝缘相中的超导配对中起何种作用？
• RQ5 所观测到的异常霍尔效应及其磁滞开关行为如何证实强鲁棒铁磁序的出现？

主要发现

• 在ν = +1与ν = +2处观测到具有磁滞开关行为的强异常霍尔效应，表明由于临近诱导SOC，半摩尔填充处出现铁磁序。
• 磁序被证实为轨道铁磁性，因在大面内磁场下ν = +2处电阻峰消失，表明自旋极化被解除。
• 在较高温度（T > 4 K）时，磁滞霍尔电阻回线消失，证实异常霍尔信号具有磁性起源。
• 系统可通过面内磁场实现磁序可调，在ν = +2处霍尔电阻磁滞回线符号发生反转，与自旋-谷锁定及非零谷陈数一致。
• 在ν = +2处观测到的净陈数为Cnet = -2，源于两个最低导带，其谷量子数分别为K与K'，陈数分别为C = -3与+1。
• 由于残余体电导，磁滞回线尺寸较小，表明陈能隙未完全打开，但霍尔电阻斜率与普通霍尔分量一致，证实存在部分绝缘行为。