Unconventional metallic ferromagnetism: Nonanalyticity and sign-changing behavior of orbital magnetization in rhombohedral trilayer graphene

铁磁性 凝聚态物理 石墨烯 符号(数学) 材料科学 磁化 三角晶系 物理 量子力学 磁场 纳米技术 晶体结构 结晶学 数学 数学分析 化学
作者
Mainak Das,Chunli Huang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (6) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.l060409
摘要

We study a unique form of metallic ferromagnetism in which orbital moments surpass the role of spin moments in shaping the overall magnetization. This system emerges naturally upon doping a topologically nontrivial Chern band in the recently identified quarter metal phase of rhombohedral trilayer graphene. Our comprehensive scan of the density-interlayer potential parameter space reveals an unexpected landscape of orbital magnetization marked by two sign changes and a line of singularities. The sign change originates from an intense Berry curvature concentrated close to the band edge and the singularity arises from a topological Lifshitz transition that transforms a simply connected Fermi sea into an annular Fermi sea. Importantly, these variations occur while the ground-state order parameter (i.e., valley and spin polarization) remains unchanged. This unconventional relationship between the order parameter and magnetization markedly contrasts traditional spin ferromagnets, where spin magnetization is simply proportional to the ground-state spin polarization via the gyromagnetic ratio. We compute energy and magnetization curves as functions of collective valley rotation to shed light on magnetization dynamics and to expand the Stoner-Wohlfarth magnetization reversal model. We provide predictions on the magnetic coercive field that can be readily tested in experiments. Our results challenge established perceptions of magnetism, emphasizing the important role of orbital moments in two-dimensional materials such as graphene and transition metal dichalcogenides and, in turn, expand our understanding and potential manipulation of magnetic behaviors in these systems.
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