[論文レビュー] Electron interactions in strain-induced zero-energy flat band in twisted bilayer graphene near the magic angle

Yü Zhang, Zhe Hou+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Graphene research and applications参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、魔法角近辺のねじれ二層グラフェンにおけるヘテロストレインが、2つのヴァン・ホーファー特異性の間でゼロエネルギーのフラットバンドを誘起することを示している。電子相互作用を通じて、フラットバンドに10 meVの相関誘起ギャップが開き、垂直磁場に対して大きな線形応答を示す。これは、モアリスーパーセルあたり約15 μBの顕在的軌道磁気モーメントを示している。

ABSTRACT

In the vicinity of the magic angle in twisted bilayer graphene (TBG), the two low-energy van Hove singularities (VHSs) become exceedingly narrow1-10 and many exotic correlated states, such as superconductivity, ferromagnetism, and topological phases, are observed11-16. Heterostrain, which is almost unavoidable in the TBG, can modify its single-particle band structure and lead to novel properties of the TBG that have never been considered so far. Here, we show that heterostrain in a TBG near the magic angle generates a new zero-energy flat band between the two VHSs. Doping the TBG to partially fill the zero-energy flat band, we observe a correlation-induced gap of about 10 meV that splits the flat band. By applying perpendicular magnetic fields, a large and linear response of the gap to magnetic fields is observed, attributing to the emergence of large orbital magnetic moments in the TBG when valley degeneracy of the flat band is lifted by electron-electron interactions. The orbital magnetic moment per moire supercell is measured as about 15 uB in the TBG.

研究の動機と目的

• 魔法角近辺のねじれ二層グラフェンにおけるヘテロストレインの電子的構造への影響を調査すること。
• ひずみ下でのゼロエネルギー付近のフラットバンドが電子間相互作用によってどのように変化するかを調査すること。
• バルクのデゲネラシーが破れた状態における大きな軌道磁気モーメントの出現を理解すること。
• 外部磁場に対する相関ギャップの応答を測定すること。
• ひずみを加え、相関するTBG系におけるモアリスーパーセルあたりの軌道磁気モーメントを定量すること。

提案手法

• 魔法角近辺のねじれ二層グラフェンにヘテロストレインを適用し、2つのヴァン・ホーファー特異性の間で新たなゼロエネルギーのフラットバンドを設計すること。
• フラットバンドを部分的に占有するようにドーピングし、相関効果を調べること。
• 輸送および分光測定法を用いて相関誘起ギャップを測定すること。
• 垂直磁場を印加し、ギャップ状態の磁気応答を調べること。
• ギャップの垂直磁場依存性の線形性を分析し、大きな軌道磁気モーメントの存在を推測すること。
• モアリスーパーセルあたりの軌道磁気モーメントを計算および測定し、約15 μBの値を得ること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘテロストレインは、魔法角近辺のねじれ二層グラフェンの電子バンド構造をどのように変化させるか？
• RQ2 ひずみ下でのゼロエネルギーのフラットバンドにギャップが形成される際、電子間相互作用が果たす役割は何か？
• RQ3 垂直磁場の印加が相関ギャップに測定可能な応答を引き起こすか？ そしてそれは系の磁気的性質について何を示唆するか？
• RQ4 ひずみを加え、相関するTBG系におけるモアリスーパーセルあたりの軌道磁気モーメントの大きさは何か？
• RQ5 電子間相互作用によるバルクデゲネラシーの破れが、フラットバンドの磁気応答にどのように影響するか？

主な発見

• ヘテロストレインにより、魔法角近辺のねじれ二層グラフェンに、2つのヴァン・ホーファー特異性の間で新たなゼロエネルギーのフラットバンドが誘起された。
• フラットバンドが部分的に占有されると、約10 meVの相関誘起ギャップが開き、強い電子間相互作用を示している。
• ギャップは外部の垂直磁場に対して大きな線形応答を示し、強い磁気結合性を示している。
• 観測された磁気応答は、系内に大きな軌道磁気モーメントが顕在したことに起因するとされる。
• モアリスーパーセルあたりの軌道磁気モーメントは、約15 μB と測定された。
• ギャップの磁場依存性から、電子間相互作用によるバルクデゲネラシーの破れが確認された。