[論文レビュー] Electronic anisotropy in magic-angle twisted trilayer graphene

Naiyuan J. Zhang, Yibang Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2022

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、『ひまわり』型デバイス構造を用いた角度分解輸送測定（ARTM）を用いて、魔法角ねじれ三層グラフェンにおける強いクーロン相互作用によって駆動されるスピンの段階的遷移と電子的異方性の間の最初の実験的関係を確立した。その結果、電子的異方性は整数充填領域近傍の段階的遷移現象および低温における新しい$PT$対称性の破れ状態と強く関連しており、$PT$対称性の破れが存在しない場合には異方性が抑制されることを明らかにした。

ABSTRACT

Due to its potential connection with nematicity, electronic anisotropy has been the subject of intense research effort on a wide variety of material platforms. The emergence of spatial anisotropy not only offers a characterization of material properties of metallic phases, which cannot be accessed via conventional transport techniques, but it also provides a unique window into the interplay between Coulomb interaction and broken symmetry underlying the electronic order. In this work, we utilize a new scheme of angle-resolved transport measurement (ARTM) to characterize electron anisotropy in magic-angle twisted trilayer graphene. By analyzing the dependence of spatial anisotropy on moiré band filling, temperature and twist angle, we establish the first experimental link between electron anisotropy and the cascade phenomenon, where Coulomb interaction drives a number of isospin transitions near commensurate band fillings. Furthermore, we report the coexistence between electron anisotropy and a novel electronic order that breaks both parity and time reversal symmetry. Combined, the link between electron anisotropy, cascade phenomenon and PT-symmetry breaking sheds new light onto the nature of electronic order in magic-angle graphene moiré systems.

研究の動機と目的

• 魔法角ねじれ三層グラフェンにおける強いクーロン相互作用によって駆動されるスピン遷移の段階的現象と電子的異方性の間の直接的な実験的関係を確立すること。
• 歪みおよびねじれ不均一性が電子的異方性を誘導する要因として果たす役割を、クーロン相互作用の影響から分離して解明すること。
• 非反転輸送応答と異方性を相関させることで、低温における電子的秩序の性質を解明すること。
• 空間的に均一な電子的異方性を、解像度を向上させるために新規に開発した『ひまわり』型幾何構造デバイスを用いて特徴付けること。

提案手法

• 8本の電極を有する『ひまわり』型デバイスを用いて、縦方向抵抗$R_{\parallel}(\phi)$の角度依存性をマップする角度分解輸送測定（ARTM）を実施。
• 電流バイアスの2通りの設定（IおよびII）を用いて、導電率テンソルの全成分を抽出し、歪みなどの外部要因による影響と内在的異方性を区別した。
• 円形の試料幾何構造（約2 μmの直径）を採用することで、ねじれ角の空間的不均一性の影響を最小限に抑えた。
• $R_{\parallel}(\phi)$の角度依存性を解析し、ネューマチック秩序の特定およびドーピングおよび温度に伴う配向軸の回転を検出。
• 非反転輸送応答と異方性を相関させることで、$T < 5$ Kの領域で$PT$対称性の破れ状態を同定。
• モアレ帯の充填度、温度、ねじれ角を系統的に変化させ、クーロン相互作用が異方性に与える影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 魔法角ねじれ三層グラフェンにおける電子的異方性は、整数帯充填度近傍におけるクーロン相互作用によって駆動されるスピン遷移の段階的現象と相関しているか？
• RQ2 電子的異方性の向きおよび大きさは、モアレ帯の充填度および温度にどのように依存するか？
• RQ3 観察された電子的異方性は、主にクーロン相互作用に起因しているのか、それとも歪みやねじれの不均一性といった外部要因に起因しているのか？
• RQ4 低温における電子的異方性の温度依存性を規定する$PT$対称性の破れ状態の役割は何か？
• RQ5 非反転輸送応答の角度対称性を用いることで、低温における電子的秩序の性質を同定できるか？

主な発見

• 電子的異方性は整数充填度近傍におけるスピン遷移の段階的現象と強く相関しており、魔法角領域では$\nu = +2$で急激な発現を示す。
• $\theta = 1.33^\circ$において、魔法角からずれることでスピン遷移が抑制されると、特にホールドーピング領域で電子的異方性が崩壊することが明らかになった。
• $T < 5$ Kの領域では、非反転応答に三重対称性を示す場合に電子的異方性が抑制され、等方的状態への転移を示している。
• 低温で一重対称性の非反転応答が観測されると、異方性比が急激に増大し、これにより$PT$対称性の破れ状態の出現と関連していることが示された。
• 格子歪みとの結合が見られない状態で電子的異方性と$PT$対称性の破れ状態が共存していることから、異方性の起源がクーロン相互作用に起因している強力な証拠が得られた。
• 低温における異方性の発現領域が広がっているのは一軸歪みに起因すると考えられるが、全体のドーピングおよびねじれ角依存性から、クーロン相互作用の支配的役割が確認された。