[論文レビュー] Anomalous Hall effect at half filling in twisted bilayer graphene

Chun-Chih Tseng, Xuetao Ma+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、魔法角（0.96°および1.20°）からわずかにずれたねじれ二層グラフェン（tBLG）デバイスにおいて、半分満たし状態（ν = ±2）で予期しないアノマラスホール効果（AHE）の観測を報告している。これは、バルク状態がバルクに偏った状態に起因する有限な軌道磁化の出現を示唆している。この結果は、強い結合領域における従来の理論的予想に反しており、中程度の結合領域（U/W ~ 1）における新しい相関状態の存在を示しており、強い結合近似を超えた洗練された理論的モデルの必要性を浮き彫りにしている。

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) has been studied extensively owing to its wealth of symmetry-broken phases, correlated Chern insulators, orbital magnetism, and superconductivity. In particular, the anomalous Hall effect (AHE) has been observed at odd integer filling factors ($ν=1$ and $3$) in a small number of tBLG devices, indicating the emergence of a zero-field orbital magnetic state with spontaneously broken time-reversal symmetry. However, the AHE is typically not anticipated at half filling ($ν=2$) owing to competing intervalley coherent states, as well as spin-polarized and valley Hall states that are favored by an intervalley Hund's coupling. Here, we present measurements of two tBLG devices with twist angles slightly away from the magic angle (0.96$^{\circ}$ and 1.20$^{\circ}$), in which we report the surprising observation of the AHE at $ν=+2$ and $-2$, respectively. These findings imply that a valley-polarized phase can become the ground state at half filling in tBLG rotated slightly away from the magic angle. Our results reveal the emergence of an unexpected ground state in the intermediately-coupled regime ($U/W \sim 1$, where $U$ is the strength of Coulomb repulsion and $W$ is the bandwidth), in between the strongly-correlated insulator and weakly-correlated metal, highlighting the need to develop a more complete understanding of tBLG away from the strongly-coupled limit.

研究の動機と目的

• ねじれ角を魔法角からわずかにずらした場合の、ねじれ二層グラフェン（tBLG）における半満たし状態の電子的相を調査すること。
• 中程度の結合領域（U/W ~ 1）における対称性破れ状態、特に有限な軌道磁化を示す状態の出現を理解すること。
• 理論的予測（半満たし状態で間違ったバルク状態またはスピンに偏った状態を予想）と実験的観測（ν = ±2でアノマラスホール効果（AHE）の観測）との不一致を解明すること。
• 局所的な対称性の破れ（例：C2対称性の破れ）が、tBLGにおけるバルクに偏った相の安定化に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 冷却温度20 mKおよび100 mKの低温輸送装置を用いて、ねじれ角がそれぞれ0.96°および1.20°の2つのtBLGデバイスで輸送測定を実施した。
• 磁場およびゲート電圧の関数として、縦抵抗（ρxx）およびホール抵抗（ρxy）のランドウファン図を測定し、相関状態およびAHEを特定した。
• 磁場スイープ（B↑およびB↓）における非対称ホール抵抗を測定することでアノマラスホール効果を定量化し、AHEの振幅はΔρxy/2 = (ρxy^B↓ − ρxy^B↑)/2として定義した。
• AHE振幅の温度依存性を測定し、相関状態の安定性と性質を評価した。
• デバイス全体の複数の接触点での補足測定を実施し、ねじれ角の局所的不均一性や変動を調べた。
• 窒化ホウ素（BN）カプセル化の役割を、電荷中立点抵抗および熱励起挙動の分析を通じて評価した。その結果、BN層との近似的な完全なアライメントが示唆された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ魔法角からわずかにずれたねじれ角を持つtBLGデバイスで、理論的予想とは逆に半満たし状態（ν = ±2）でアノマラスホール効果が観測されるのか？
• RQ2 ν = ±2におけるAHEを引き起こす相関状態の性質は何か？ これは予想される間違ったバルク状態またはスピンに偏った状態とはどのように異なるのか？
• RQ3 中程度の結合領域（U/W ~ 1）は、強い相関領域（U/W >> 1）と比較して、tBLGにおけるバルクに偏った相の安定性にどのように影響するのか？
• RQ4 局所的な構造的不均一性やBNカプセル化のアライメントが、C2対称性の破れを引き起こし、観測されたAHEを安定化させる程度はどの程度か？
• RQ5 なぜAHEが量子化されておらず金属的であるのか？ これは破れた対称性状態の性質にどのような示唆をもたらすのか？

主な発見

• ねじれ角0.96°のデバイスでν = +2でアノマラスホール効果が観測され、半満たし状態で有限な軌道磁化が存在することを示唆している。
• ねじれ角1.20°のデバイスでもν = -2で金属的AHEが観測され、魔法角に近い異なるねじれ角においても効果が安定していることが確認された。
• AHE振幅は温度依存的であり、高温で明確に抑制されることから、相関的で多数体的起源であることが示された。
• 同じデバイス内で空間的に異なる領域に、ν = -2における自明な相関絶縁体とAHEが共存していることから、競合する相がほぼ degenerate であることが示唆された。
• 観測されたAHEは、バルクに偏った基底状態によって最も自然に説明できる。これは、半満たし状態で強い結合近似（U/W >> 1）では予測されない。
• これらの結果は、中程度の結合領域（U/W ~ 1）が、強い相関領域では得られない新しい対称性破れ相（例：バルクに偏った状態）を可能にする可能性を示唆している。