[論文レビュー] Evidence of heavy fermion physics in the thermoelectric transport of magic angle twisted bilayer graphene

Rafael Luque Merino, Dumitru Călugăru+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2024

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ゲートで定義されたpnジャンクションにおけるフォトサーモエレクトリック（PTE）測定を通じて、魔法の角度でねじれた二層グラフェン（MATBG）における重フェルミオン物理学の直接的な実験的証拠を提供する。低温において、符号を保ちながら填埋依存のゼーベック係数の揺らぎが観測され、フェルミエネルギーをホールドーピングと電子ドーピングの間でチューニングしても、支配的であるキャリアの種別が維持されていることが示され、フェルミエネルギー近くに軽い電子バンドと重い電子バンドが共存していることを示唆している。これは、トポロジカル重フェルミオンモデルと強い定性的な一致を示している。

ABSTRACT

It has been recently postulated, that the strongly correlated flat bands of magicangle twisted bilayer graphene (MATBG) can host coexisting heavy and light carriers. While transport and spectroscopic measurements have shown hints of this behavior, a more direct experimental proof is still lacking. Here, we explore the thermoelectric response of MATBG through the photo-thermoelectric (PTE) effect in gate-defined MATBG pn-junctions. At low temperatures, we observe sign-preserving, fillingdependent oscillations of the Seebeck coefficient at non-zero integer fillings of the moiré lattice, which suggest the preponderance of one carrier type despite tuning the Fermi level from hole to electron doping of the correlated insulator. Furthermore, at higher temperatures, the thermoelectric response provides distinct evidence of the strong electron correlations in the unordered, normal state. We show that our observations are naturally accounted for by the interplay of light and long-lived and heavy and short-lived electron bands near the Fermi level at non-zero integer fillings. Our observations firmly establish the electron and hole asymmetry of the correlated gaps in MATBG, and shows excellent qualitative agreement with the recently developed topological heavy fermion model (THF).

研究の動機と目的

• 強相関系MATBG系における重フェルミオン物理学の直接的実験的証拠を提供すること。
• MATBGにおける異なるドーピング領域におけるキャリアの性質を調査すること。
• 相関絶縁状態におけるフェルミエネルギー近くの軽いおよび重い電子バンドの相互作用を解明すること。
• MATBGの常態におけるトポロジカル重フェルミオン（THF）モデルの予測を検証すること。

提案手法

• ゲートで定義されたMATBG pnジャンクションにおけるフォトサーモエレクトリック（PTE）効果測定が実施された。
• キャリアの種別および有効質量を調査するために、ゲート電圧および温度関数としてのゼーベック係数が測定された。
• 低温測定では、モアレ格子の整数填埋因子における熱電応答の揺らぎを検出するために焦点が当てられた。
• 高温測定は、MATBGの常態を調べるのにも用いられ、強い電子相関の兆候が明らかになった。
• 理論的モデリングは、トポロジカル重フェルミオン（THF）フレームワークに基づいて実験データを解釈するために用いられた。
• ホールから電子ドーピングへのフェルミエネルギーのチューニングにより、相関ギャップにおけるキャリアの非対称性の系統的分析が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MATBGにおいて、非ゼロの整数填埋状態のとき、フェルミエネルギー近くに共存する軽いおよび重い電子バンドが存在するか？
• RQ2 フェルミエネルギーを相関絶縁状態を越えてチューニングしても、キャリアの種別が支配的であるのはなぜか？熱電応答はどのように反映されるか？
• RQ3 熱電測定は、MATBGの常態における強い電子相関の証拠をどのように提供するか？
• RQ4 実験的観察は、トポロジカル重フェルミオン（THF）モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ5 相関ギャップの電子-ホール非対称性は、熱電輸送特性にどのように現れるか？

主な発見

• 低温で、符号を保ちながら填埋依存のゼーベック係数の揺らぎが観測され、フェルミエネルギーを相関絶縁状態を越えてチューニングしても、支配的キャリアが維持されていることが示された。
• 揺らぎはモアレ格子の整数填埋因子にわたり持続しており、軽いおよび重いキャリアの性質を併せ持つ、頑健な相関電子状態であることを示唆している。
• 高温領域では、熱電応答にMATBGの常態における強い電子相関の明確な兆候が現れた。
• 実験データは、トポロジカル重フェルミオン（THF）モデルの予測と優れた定性的一致を示している。
• 結果として、MATBGの相関ギャップにおける電子-ホール非対称性が明確に確立され、重いキャリアが輸送応答の中心的役割を果たしていることが示された。
• フェルミエネルギー近くの長寿命の重いバンドと短寿命の軽いバンドの相互作用が、観測された熱電気的挙動の起源であると特定された。