Intervalley coherence and intrinsic spin-orbit coupling in rhombohedral trilayer graphene

凝聚态物理 石墨烯 物理 自旋(空气动力学) 自旋轨道相互作用 超导电性 自旋电子学 双层石墨烯 铁磁性 量子力学 热力学
作者
Trevor Arp,Owen Sheekey,Haomin Zhou,Charles Tschirhart,Caitlin L. Patterson,Heun Mo Yoo,Ludwig Holleis,Evgeny Redekop,Grigory Babikyan,Tian Xie,Jiewen Xiao,Yaar Vituri,Tobias Holder,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,M. E. Huber,Erez Berg,Andrea F. Young
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2310.03781
摘要

Rhombohedral graphene multilayers provide a clean and highly reproducible platform to explore the emergence of superconductivity and magnetism in a strongly interacting electron system. Here, we use electronic compressibility and local magnetometry to explore the phase diagram of this material class in unprecedented detail. We focus on rhombohedral trilayer in the quarter metal regime, where the electronic ground state is characterized by the occupation of a single spin and valley isospin flavor. Our measurements reveal a subtle competition between valley imbalanced (VI) orbital ferromagnets and intervalley coherent (IVC) states in which electron wave functions in the two momentum space valleys develop a macroscopically coherent relative phase. Contrasting the in-plane spin susceptibility of the IVC and VI phases reveals the influence of graphene's intrinsic spin-orbit coupling, which drives the emergence of a distinct correlated phase with hybrid VI and IVC character. Spin-orbit also suppresses the in-plane magnetic susceptibility of the VI phase, which allows us to extract the spin-orbit coupling strength of $\lambda \approx 50\mu$eV for our hexagonal boron nitride-encapsulated graphene system. We discuss the implications of finite spin-orbit coupling on the spin-triplet superconductors observed in both rhombohedral and twisted graphene multilayers.

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