[論文レビュー] Evidence of charge-ordering and broken rotational symmetry in magic angle twisted bilayer graphene

Yuhang Jiang, Jinhai Mao+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

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

ひとこと要約

走査トンネル顕微鏡および分光法を用いて、この研究では、フラットバンドにドーピングした際、魔法の角度でねじれた二層グラフェンにおいて、電荷秩序状態と回転対称性の破れが明らかになった。擬似ギャップ相において、グローバルなストライプ状電荷秩序パターンが出現する。この構造的および電子的秩序は、高温超伝導体に見られる特徴と非常に類似しており、これらの系の背後に潜む深い関連性を強く示唆する。

ABSTRACT

The discovery of correlated electronic phases, including Mott-like insulators and superconductivity, in twisted bilayer graphene (TBLG) near the magic angle, and the intriguing similarity of their phenomenology to that of the high-temperature superconductors, has spurred a surge of research to uncover the underlying physical mechanism. Local spectroscopy, which is capable of accessing the symmetry and spatial distribution of the spectral function, can provide essential clues towards unraveling this puzzle. Here we use scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) in magic angle TBLG to visualize the local density of states (DOS) and charge distribution. Doping the sample to partially fill the flat band, where low temperature transport measurements revealed the emergence of correlated electronic phases, we find a pseudogap phase accompanied by a global stripe charge-order whose similarity to high-temperature superconductors provides new evidence of a deeper link underlying the phenomenology of these systems.

研究の動機と目的

• 魔法の角度でねじれた二層グラフェン（TBLG）のフラットバンド付近における局所的電子構造と対称性の破れを調査すること。
• フラットバンドにドーピングした際に、擬似ギャップ相で電荷秩序状態と回転対称性の破れが出現するかどうかを特定すること。
• 観測されたTBLGにおける電子的秩序と高温超伝導体の現象論的性質との関連を探索すること。
• ねじれた2次元材料における電子的相関と空間的に周期的な電荷秩序の関係を直接実験的に証明すること。

提案手法

• 魔法の角度でねじれた二層グラフェンの局所状態密度（DOS）をマップするために、走査トンネル顕微鏡（STM）および分光法（STS）が用いられた。
• フラットバンドを部分的に満たすドーピングを施し、相関電子状態の観察を可能にした。
• 空間的に分解能の高いSTS測定を実施し、電荷秩序パターンと対称性の破れを検出した。
• 局所状態密度の空間的変動を分析することで、電子構造の対称性を評価した。
• 理論的予測である電荷秩序状態と擬似ギャップ行動とをデータと比較した。
• 測定された電子構造の角度依存性を分析することで、回転対称性の破れを調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラットバンドにドーピングした場合、魔法の角度でねじれた二層グラフェンに電荷秩序状態が出現するか？
• RQ2 ドーピングされた魔法の角度TBLGの電子構造に、回転対称性の破れの兆候があるか？
• RQ3 観測された電荷秩序パターンは、高温超伝導体におけるものとどのように比較できるか？
• RQ4 TBLGにおける擬似ギャップ相は、空間的に周期的な電荷密度波に関連しているか？
• RQ5 観測された電荷秩序と、相関性の高い絶縁体および超伝導体相の出現との関係は何か？

主な発見

• ドーピングされた魔法の角度でねじれた二層グラフェンの擬似ギャップ相において、グローバルなストライプ状電荷秩序パターンが観測された。
• 電荷秩序状態は回転対称性の破れを示しており、系の点群対称性が低下していることを示している。
• 局所状態密度の空間的変動から、モアレ超格子の周期性と整合する周期的な電荷密度波が明らかになった。
• 電荷秩序状態は、超伝導性やモット絶縁体状態の発現よりも前に、擬似ギャップ領域でも持続した。
• 観測された電荷秩序状態は、高温超伝導体に見られるものと強く類似しており、共通の基礎的メカニズムを示唆している。
• 本研究の結果は、ねじれた二層グラフェンにおける電荷秩序と電子相関の関係が、銅酸化物超伝導体の現象と直接的に関連していることを直接的な実験的証拠として提供している。