Temperature-dependent zero-field splittings in graphene

凝聚态物理 石墨烯 双层石墨烯 拓扑绝缘体 材料科学 石墨烯纳米带 带隙 氮化硼 拓扑序 物理 量子 纳米技术 量子力学
作者
C. Bray,Kenneth Maussang,C. Conséjo,Juan A. Delgado‐Notario,S. S. Krishtopenko,I. Yahniuk,S. Gebert,S. Ruffenach,K. Dinar,E. Moench,Jonathan Eroms,Kornelia Indykiewicz,B. Jouault,J. Torres,Y. M. Meziani,W. Knap,A. Yurgens,S. D. Ganichev,F. Teppe
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (24) 被引量:7
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.245141
摘要

Graphene is a quantum spin Hall insulator with a 45μeV-wide nontrivial topological gap induced by the intrinsic spin-orbit coupling. Even though this zero-field spin splitting is weak, it makes graphene an attractive candidate for applications in quantum technologies, given the resulting long spin-relaxation time. On the other side, the staggered sublattice potential, resulting from the coupling of graphene with its boron nitride substrate, compensates intrinsic spin-orbit coupling and decreases the nontrivial topological gap, which may lead to the phase transition into trivial band insulator state. In this work, we present extensive experimental studies of the zero-field splittings in monolayer and bilayer graphene in a temperature range 2-12 K by means of subterahertz photoconductivity-based electron spin-resonance technique. Surprisingly, we observe a decrease of the spin splittings with increasing temperature. We discuss the origin of this phenomenon by considering possible physical mechanisms likely to induce a temperature dependence of the spin-orbit coupling. These include the difference in the expansion coefficients between the graphene and the boron nitride substrate or the metal contacts, the electron-phonon interactions, and the presence of a magnetic order at low temperature. Our experimental observation expands knowledge about the nontrivial topological gap in graphene.
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