[論文レビュー] Angle-resolved transport nonreciprocity and spontaneous symmetry breaking in twisted trilayer graphene

Naiyuan James Zhang, Jiangxiazi Lin+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2022

Graphene research and applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ねじれ三層グラフェン（tTLG）における時間対称性の自発的破れを調べるため、角度に依存する輸送非対称性測定を導入した。熱的および電流バイアス下で鏡対称軸のヒステリックな回転が観測された。主な発見は、非対称性の発現が軌道的フェルミ磁性と一致しており、運動量空間における交換駆動不安定性を通じて回転対称性と時間反転対称性の破れが直接結びついていることを示している。

ABSTRACT

The ability to identify and characterize spontaneous symmetry breaking is central to our understanding of 2D materials with strong correlation, such as the moiré flat bands in magic-angle twisted graphene bilayer and trilayer. In this work, we utilize angle-resolved measurements of transport nonreciprocity to investigate spontaneous symmetry breaking in twisted trilayer graphene. By analyzing the angular dependence of nonreciprocity in both longitudinal and transverse channels, we are able to identify the symmetry axis associated with the underlying electronic order. We report that a hysteretic rotation in the mirror axis can be induced by thermal cycles and a large current bias, which offers unambiguous evidence for the spontaneous breaking of rotational symmetry. Moreover, the onset of nonreciprocity with decreasing temperature coincides with the emergence of orbital ferromagnetism. Combined with the angular dependence of the superconducting diode effect, our findings uncover a direct link between rotational and time-reversal symmetry breaking. These symmetry requirements point towards the exchange-driven instabilities in the momentum space as a possible origin for transport nonreciprocity in tTLG.

研究の動機と目的

• 強い相関を持つねじれ三層グラフェン（tTLG）における自発的対称性の破れを、角度に依存する輸送測定を用いて特定および特徴づけること。
• 非反対称輸送応答の角度依存性を分析することで、基礎となる電子秩序の対称軸を特定すること。
• tTLGにおける非反対称性、軌道的フェルミ磁性、超伝導ダイオード効果の相乗的関係を調査すること。
• 交換相互作用が運動量空間における不安定性を駆動し、回転対称性および時間反転対称性を破る役割を調べること。
• 角度および温度依存測定を通じて、輸送非反対称性とループ電流状態の出現との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 非線形輸送測定を角度に依存して行い、2次高調波検出技術（V²ω）を用いて非反対称応答を抽出した。
• 45°間隔の接触を持つ「ひまわり型」tTLGデバイスを用い、輸送応答の全角度カバレッジを実現した。
• 20 mKでゼロ磁場および交流電流バイアス（100 nA）を用いて、内在的な非反対称効果を隔離した。
• 縦方向（R∥）および横方向（R⊥）抵抗成分の角度依存性をマッピングし、鏡対称軸の対称性を特定した。
• 熱サイクルおよび大きな直流電流バイアスを適用し、鏡対称軸の向きのヒステリックな挙動を調査した。
• 非反対称性とモアレ帯の充填度（ν）および温度の相関をとることで、相転移および対称性破れ秩序を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 tTLGにおける輸送非反対称性の角度依存性は何か。また、これは基礎となる電子秩序の対称性をどのように明らかにするか。
• RQ2 熱サイクルおよび電流バイアス下で鏡対称軸の向きはどのように変化するか。これは、対称性破れ状態の性質に何を示唆するか。
• RQ3 非反対称性が発現するのはどのモアレ帯充填度か。また、軌道的フェルミ磁性の出現とどのように相関するか。
• RQ4 非反対称性と超伝導ダイオード効果との関係は、角度的および対称性的制約の観点からどのように解釈できるか。
• RQ5 観測された非反対称応答の起源は何か。具体的には、運動量空間における交換相互作用が駆動要因となっているか。

主な発見

• tTLGにおける非反対称性は、1重または3重の角度依存性を示し、それぞれ1本または複数の鏡対称軸の存在を示している。
• 熱サイクルおよび大きな電流バイアス下で鏡対称軸のヒステリックな回転が観測され、回転対称性の自発的破れを明確に裏付けた。
• 低温下で非反対称性が発現するタイミングが、帯充填度 ν ≈ 2.15 および ν ≈ -2.4 における軌道的フェルミ磁性の出現と正確に一致した。
• 温度依存測定から、非反対称性が1重または3重対称性のどちらであろうと、5 K未満で発現することが判明した。
• 超伝導ダイオード効果の角度依存性が非反対称性のパターンと一致しており、時間反転対称性および回転対称性の破れに共通の起源があることを示唆した。
• 観測された非反対称性は、整数モアレ帯充填度付近で最も強く、フェルミ面再構成の連鎖的プロセスが不安定性を駆動している可能性を示唆した。