[論文レビュー] Cascade of transitions between the correlated electronic states of magic-angle twisted bilayer graphene

Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Graphene research and applications被引用数 9

ひとこと要約

高分解能走査トンネル顕微鏡を用いて、この研究では、電子-電子相互作用によって駆動される、魔法の角度でねじれた二層グラフェン（MATBG）における電子状態の段階的遷移の連鎖を明らかにした。モアイのフラットバンドの整数充填度において、クーロン相互作用が degenerate なフラットバンドをハーバード準位に分裂させ、化学ポテンシャルおよび低エネルギー励起状態に顕著な変化を引き起こす。遷移の挙動は垂直磁場によって強く調制されており、MATBGの絶縁体的および超伝導的基底状態の相関的高温親相を特定している。

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) exhibits a rich variety of electronic states, including correlated insulators, superconductors, and topological phases. Understanding the microscopic mechanisms responsible for these phases requires determining the interplay between electron-electron interactions and quantum degeneracy due to spin and valley degrees of freedom. Signatures of strong electron-electron correlations have been observed at partial fillings of the flat electronic bands in recent spectroscopic measurements. Transport experiments have shown changes in the Landau level degeneracy at fillings corresponding to an integer number of electrons per moire unit cell. However, the interplay between interaction effects and the degeneracy of the system is currently unclear. Using high-resolution scanning tunneling microscopy (STM), we observed a cascade of transitions in the spectroscopic properties of MATBG as a function of electron filling. We find distinct changes in the chemical potential and a rearrangement of the low-energy excitations at each integer filling of the moire flat bands. These spectroscopic features are a direct consequence of Coulomb interactions, which split the degenerate flat bands into Hubbard sub-bands. We find these interactions, the strength of which we can extract experimentally, to be surprisingly sensitive to the presence of a perpendicular magnetic field, which strongly modifies the spectroscopic transitions. The cascade of transitions we report here characterizes the correlated high-temperature parent phase from which various insulating and superconducting ground-state phases emerge at low temperatures in MATBG.

研究の動機と目的

• 魔法の角度でねじった二層グラフェン（MATBG）における電子-電子相互作用と量子簡併性の相乗的相互作用を理解すること。
• 整数充填度におけるフラットモアイバンドの簡併性を解消するクーロン相互作用の役割を特定すること。
• 垂直磁場がMATBGにおける分光的遷移に与える影響を調査すること。
• MATBGにおける低温の絶縁体的および超伝導的基底状態の起源となる相関的高温親相を特徴づけること。

提案手法

• 異なる電子充填度において、MATBGの局所的電子構造を調べるために高分解能走査トンネル顕微鏡（STM）を用いた。
• フラットモアイバンド内の電子充填度の関数として、化学ポテンシャルおよび低エネルギー励起スペクトルなどの分光的性質を測定した。
• 整数充填度における電子構造の変化を分析し、クーロン駆動によるハーバード準位へのバンド分裂の兆候を同定した。
• 垂直磁場を適用してランダウ準位の簡併性を調整し、その分光的遷移への影響を評価した。
• 実験データから直接クーロン相互作用の強さを抽出し、理論モデルとの定量的比較を可能にした。
• 充填度にわたる電子状態の進化を追跡し、相関的領域における遷移の連鎖をマップした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MATBGのフラットモアイバンドの整数充填度において、電子-電子相互作用はどのように電子状態の遷移を駆動するか？
• RQ2 クーロン相互作用は、整数充填度における簡併したフラットバンドをどのようにハーバード準位に分裂させるか？
• RQ3 垂直磁場の適用は、MATBGで観測された分光的遷移にどのように影響を与えるか？
• RQ4 絶縁体的および超伝導的基底状態の出現に先行する高温相関的親相の性質は何か？
• RQ5 モアイ単位格子あたりの整数電子充填度と、化学ポテンシャルおよび低エネルギー励起状態の変化はどのように相関するか？

主な発見

• モアイフラットバンドの各整数充填度において、分光的遷移の連鎖が観測され、電子状態の再組織化の連続を示した。
• クーロン相互作用が簡併したフラットバンドを明確なハーバード準位に分裂させることを特定し、実験データから直接相互作用強度を抽出した。
• 整数充填度において化学ポテンシャルに明確な不連続性が観測され、電子基底状態の再構築を示した。
• 各整数充填度において低エネルギー励起状態が顕著に再編成され、相関的多体状態の形成を反映した。
• 垂直磁場の存在が分光的遷移を強く変化させ、ランダウ準位物理学と電子相関の間の感受性の高い相互作用を示した。
• 観測された遷移の連鎖は、MATBGにおける絶縁体的および超伝導的基底状態の出現を引き起こす高温親相を特徴づけた。