[论文解读] Tunable excitonic insulator in quantum limit graphite

Zengwei Zhu, R. McDonald+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2015

Quantum and electron transport phenomena参考文献 28被引用 14

一句话总结

本研究在量子极限条件下识别出石墨中一种可调的激发子绝缘体相，其中在46 ± 1 T处出现能带隙打开，该点与最大转变温度（T_EI ≈ 9.3 K）相吻合。通过角度分辨磁阻率和温度依赖性测量，作者展示了弱耦合与强耦合激发子配对区域之间的连续演化，且配对强度可通过磁场取向进行调控，从而为跨越耦合极端的磁场调控激发子绝缘体提供了直接证据。

ABSTRACT

Half a century ago, Mott noted that tuning the carrier density of a semimetal towards zero produces an insulating state in which electrons and holes form bound pairs. It was later argued that such pairing persists even if a semiconducting gap opens in the underlying band structure, giving rise to what has become known as the strong coupling limit of an `excitonic insulator.' While these `weak' and `strong' coupling extremes were subsequently proposed to be manifestations of the same excitonic state of electronic matter, the predicted continuity of such a phase across a band gap opening has not been realized experimentally in any material. Here we show the quantum limit of graphite, by way of temperature and angle-resolved magnetoresistance measurements, to host such an excitonic insulator phase that evolves continuously between the weak and strong coupling limits. We find that the maximum transition temperature T_EI of the excitonic phase is coincident with a band gap opening in the underlying electronic structure at B_0= 46 +/- 1 T, which is evidenced above T_EI by a thermally broadened inflection point in the magnetoresistance. The overall asymmetry of the observed phase boundary around B_0 closely matches theoretical predictions of a magnetic field-tuned excitonic insulator phase in which the opening of a band gap marks a crossover from predominantly momentum-space pairing to real-space pairing.

研究动机与目标

• 确定在量子极限条件下，磁场诱导的绝缘相的本质。
• 确定该相变是否由电子结构中的能带隙打开所驱动。
• 通过磁场取向和强度探索激发子绝缘体相的可调性。
• 建立最大转变温度T_EI与朗道子能带中能带隙开启之间的关系。
• 解决长期存在的关于量子极限石墨相中对称性破缺与配对机制的模糊性问题。

提出的方法

• 在高达90 T的强磁场下，对石墨的面内（R_xx）和面间（R_zz）电阻率进行温度与角度分辨的磁阻率测量。
• 通过分析导数∂R_zz/∂B，检测在B₀ = 46 ± 1 T处出现的热展宽拐点，该拐点标志电子结构的不连续性。
• 利用磁场旋转角θ调节有效磁长度，独立于载流子密度探测配对强度。
• 将实验相边界与磁场调控激发子绝缘体的理论模型（包括阿布里科索夫平均场理论）进行比较。
• 使用Takada和Goto的模型对朗道子能带色散进行光谱分析，以描绘电子和空穴子能带及其在能带隙打开时的反交叉行为。
• 通过自旋和轨道调控拟合相边界，提取T_EI对B cosθ的依赖关系，表明其与磁长度呈反比关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁场诱导的绝缘相的最大转变温度T_EI是否与石墨电子结构中的能带隙打开相吻合？
• RQ2 在石墨中，激发子配对的弱耦合与强耦合极限之间，配对机制如何演化？
• RQ3 能否通过磁场取向独立于载流子密度来调控激发子绝缘体相中的配对强度？
• RQ4 量子极限石墨中激发子绝缘体相相关的对称性破缺的本质是什么？
• RQ5 所观测到的相边界是否与磁场调控激发子绝缘体的理论预测一致？

主要发现

• 最大转变温度T_EI ≈ 9.3 K与B₀ = 46 ± 1 T处的能带隙打开精确吻合，其证据来自T_EI以上R_zz中热展宽拐点的观测。
• 随着温度降低，∂R_zz/∂B中的拐点变得更加尖锐，表明在B₀处电子能带结构出现不连续性，与能带隙打开一致。
• B₀附近的相边界呈现不对称形状，与磁场调控激发子绝缘体的理论预测相符，表明从动量空间配对向实空间配对的交叉。
• 角度依赖测量显示，T_EI随磁场倾角θ的增大而降低，其变化近似与B cosθ成线性关系，表明其与磁长度呈反比。
• 随着θ增大，激发子相区域缩小，预计在θ > ~70°时T_EI将消失，对应于平面内约100 T的磁场。
• 在B₀处观测到T_EI最大值，支持弱耦合与强耦合极限之间的连续演化，表明存在一个连接两个区域的单一激发子绝缘体相。