Correlated phases in the vicinity of tunable van Hove singularities in Bernal bilayer graphene

by Anna Monika Seiler
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-06-13
Date of issue:2023-08-18
Advisor:Prof. Dr. Thomas Weitz
Referee:Prof. Dr. Thomas Weitz
Referee:Prof. Dr. Claus Ropers
Referee:ChunNing Lau
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10001

 

 

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Abstract

English

The naturally occurring Bernal bilayer graphene exhibits a complex low-energy band structure hosting electric-field-controlled Lifshitz transitions and van Hove singularities. The diverging density of states is predicted to give rise to interaction-induced phenomena. However, signs of correlated phases mediated by these van Hove singularities in Bernal bilayer graphene have been elusive so far. To find and explore correlated states, high-quality encapsulated Bernal bilayer graphene devices are fabricated and electrical transport measurements are performed at millikelvin temperatures. A dual-gate structure allows to tune the charge carrier density and the electric displacement field across the two layers simultaneously. First, the trigonally warped low-energy Fermi surface topology of unbiased Bernal bilayer graphene is experimentally uncovered. By analyzing the Landau level spectrum, it is revealed that the band structure of Bernal bilayer graphene consists of four electron-hole asymmetric mini Dirac cones with a truly linear energy dispersion. Applying a finite electric displacement field deforms the band structure: a band gap opens, the mini Dirac cones transform into parabolically-dispersed pockets, and the center cone is inverted. The latter results in the formation of an inner electron-like pocket in the valence band of Bernal bilayer graphene and produces multiple Lifshitz transitions and concomitant van Hove singularities. Near the Lifshitz transitions, correlated Stoner half and quarter metal phases are identified. More prominently, signatures consistent with a competing topologically non-trivial Wigner-Hall crystal, a topologically trivial Wigner crystal and two correlated metals whose behavior deviates from standard Fermi liquids are reported at zero magnetic field. Lastly, interaction-driven phases of Stoner-type are revealed near the conduction band edge of strongly biased Bernal bilayer graphene where the energy bands are flatter, and the density of states is larger compared to hole doped Bernal bilayer graphene. Here, a transition of the Stoner metals into a spin- and valley-polarized correlated insulator and a spin-polarized insulator is revealed at low magnetic fields. These correlated phases are consistent with either charge density waves or Wigner crystals. All in all, the measurements presented within this thesis reveal that the simple Bernal bilayer graphene hosts intriguing correlated phases in the vicinity of tunable van Hove singularities. These results open a new chapter for studying strongly interacting electrons using the platform of Bernal bilayer graphene.
Keywords: Graphene; Correlated Phases; Bernal bilayer graphene

German

Das natürlich vorkommende Bilagen-Graphen mit Bernal-Lagenfolge besitzt bei niedrigen Energien eine komplexe Bandstruktur, die kontrollierbare Lifshitz-Übergänge und van-Hove-Singularitäten enthält. Es wird erwartet, dass die divergierende Zustandsdichte zu wechselwirkungsinduzierten Phänomenen führt, dennoch konnten bisher keine durch van-Hove-Singularitäten getriebenen korrelierten Phasen in Bernal-Bilagen-Graphen beobachtet werden. Um korrelierte Zustände zu identifizieren und zu untersuchen, werden hochreine eingekapselte Bernal-Bilagen-Graphen Proben hergestellt und bei Temperaturen von wenigen Millikelvin elektrisch vermessen. Eine Feldeffekttransistorstruktur mit zwei Gate-Elektroden ermöglicht es gleichzeitig die Ladungsträgerdichte sowie das elektrische Verschiebungsfeld zwischen den beiden Graphenlagen zu verändern. Zunächst wird die trigonal verformte niederenergetische Fermi-Oberflächentopologie von Bernal-Bilagen-Graphen experimentell beobachtet. Die Analyse der Landau-Niveaus zeigt, dass die Bandstruktur von Bernal-Bilagen-Graphen, falls kein elektrisches Verschiebungsfeld angelegt wird, aus vier kleinen, Elektron-Loch asymmetrischen Dirac-Kegeln mit linearer Energiedispersion besteht. Das Anlegen von elektrischen Verschiebungsfeldern führt zu einer Veränderung der Bandstruktur: eine Bandlücke öffnet sich, die kleinen Dirac Kegel werden zu parabolisch-dispergierenden Ausbuchtungen und der innere Dirac Kegel wölbt sich nach innen. Letzteres führt zu einer lochartigen Einbuchtung im Valenzband von Bilagen Graphen und zu mehreren Lifshitz-Übergängen und van-Hove-Singularitäten in dessen Nähe korrelierte Stoner Halb- und Viertelmetalle identifiziert werden können. Darüber hinaus werden Signaturen von konkurrierenden wechselwirkungsgetriebenen Zuständen identifiziert, deren Verhalten mit dem eines topologisch trivialen Wigner Kristalls, eines topologisch nicht trivialen Wigner-Hall Kristalls und zwei korrelierte Metallen, die andere Eigenschaften als normale Fermi-Flüssigkeiten aufweisen, übereinstimmt. Zuletzt werden wechselwirkungsgetriebene Stoner Phasen auch bei hohen elektrischen Verschiebungsfeldern im Leitungsband von Bernal-Bilagen-Graphen beobachtet. Hier sind die Energiebänder flacher und die Zustandsdichte ist höher als in mit Löchern dotiertem Bernal-Bilagen- Graphen. Bei niedrigen Magnetfeldern wird hier ein Übergang der Stoner Metalle in einen spin- und valleypolarisierten korrelierten Isolator und einen spinpolarisierten korrelierten Isolator beobachtet. Diese korrelierten Phasen sind entweder mit Ladungsträgerdichtewellen oder mit Wigner-Kristallen vereinbar. Zusammenfassend zeigen die in dieser Arbeit präsentierten Messungen, dass das einfache Bernal-Bilagen-Graphen faszinierende korrelierte Phasen in der Nähe von kontrollierbaren van-Hove-Singularitäten aufweist. Diese Ergebnisse öffnen ein neues Kapitel für die Erforschung von komplexer Wechselwirkungsphysik von Elektronen auf der Plattform von Bernal-Bilagen-Graphen.
 
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