[論文レビュー] Excess entropy and breakdown of semiclassical description of thermoelectricity in twisted bilayer graphene close to half filling

Bhaskar Ghawri, Phanibhusan S. Mahapatra+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2020

Graphene research and applications参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、半古典的モット関係の破綻を、θ ≈ 1.6°のねじれ二層グラフェン（tBLG）において半フィルイン近傍で報告している。これは、10 KでS ≈ 2 μV/Kの過剰サーモポテンシャルと、近似的にプランク定数に比例する散乱率を示すT線形抵抗率によって裏付けられている。これらの結果は、魔法角から離れていてもtBLG固有の非フェルミ液体的物理を示しており、準粒子記述を超える強い相関効果を示唆する。

ABSTRACT

In moiré systems with twisted bilayer graphene (tBLG), the amplification of Coulomb correlation effects at low twist angles ($θ$) is a result of nearly flat low-energy electronic bands and divergent density of states (DOS) at van Hove singularities (vHS). This not only causes superconductivity, Mott insulating states, and quantum anomalous Hall effect close to the critical (or magic) angle $θ= θ_{c} \approx 1.1^\circ$, but also unconventional metallic states that are claimed to exhibit non-Fermi liquid (NFL) excitations. However, unlike superconductivity and the correlation-induced gap in the DOS, unambiguous signatures of NFL effects in the metallic state remain experimentally elusive. Here we report simultaneous measurement of electrical resistivity ($ρ$) and thermoelectric power ($S$) in tBLG at $θ\approx 1.6^\circ$. We observe an emergent violation of the semiclassical Mott relation in the form of excess $S$ close to half-filling. The excess $S$ ($\approx 2$ $μ$V/K at low temperature $T \sim 10$ K) persists up to $\approx 40$ K, and is accompanied by metallic $T$-linear $ρ$ with transport scattering rate ($τ^{-1}$) of near-Planckian magnitude $τ^{-1} \sim k_{B}T/\hbar$. The combination of non-trivial electrical transport and violation of Mott relation provides compelling evidence of NFL physics intrinsic to tBLG, at small twist angle and half-filling.

研究の動機と目的

• ねじれ角が小さく、半フィルイン近傍におけるねじれ二層グラフェン（tBLG）における半古典的モット関係の妥当性を調べること。
• 魔法角θc ≈ 1.1°から離れたθ ≈ 1.6°におけるtBLGにおける電子相関の役割を調査すること。
• 観測された輸送異常（T線形抵抗率および過剰サーモポテンシャル）が非フェルミ液体（NFL）物理学を示すかどうかを特定すること。
• 金属的tBLGにおける準粒子支配輸送と相関駆動NFL挙動の違いを区別すること。
• 同時に電気的およびサーモエレクトリック測定を用いて、tBLGにおけるNFL励起の実験的証拠を提供すること。

提案手法

• 10 Kまで冷却可能なデュアル・リファイナと1.5 K冷温器を用いて、四端子電気的抵抗率（ρ）およびサーモエレクトリック力（S）の同時測定を実施した。
• 17 Hzの局所的ジュール加熱を用いてtBLGチャネルに温度勾配ΔTを生成し、2次高調波熱電圧（V2ω）を測定することでSを抽出した。
• 半古典的公式を用いてモット関係を検証した：S_Mott = (π²k_B²T / 3|e|) × (d ln R/dE)|_E_F、ここで弾性かつ等方的散乱を仮定した。
• θ = 1.6°における電子バンドおよび状態密度（DOS）をモデル化するために、タイトバインディングバンド構造計算を用い、LAMMPSおよびREBO/DRIPポテンシャルを用いて緩和を実施した。
• 六角格子上の4軌道 Hubbard モデルを用いた動的平均場理論（DMFT）を用いてサーモポテンシャルを計算した。自己無撞着に決定された局所的グリーン関数と、修正された多軌道 IPT 塩素体ソルバーを用いた。
• DMFTサーモポテンシャル計算に使用するため、タイトバインディングバンド構造から輸送状態密度（DOS）を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 θ ≈ 1.6°におけるtBLGのサーモポテンシャルは、半フィルイン近傍で半古典的モット関係から逸脱するか？
• RQ2 観測されたT線形抵抗率と近似的にプランク定数に比例する散乱率（τ⁻¹ ~ k_BT/ħ）は、準粒子輸送に一致するか、それとも非フェルミ液体的挙動を示唆するか？
• RQ3 過剰サーモポテンシャル（S > S_Mott）は、不純物や散乱の異方性ではなく、強い電子相関に起因するものか？
• RQ4 魔法角（θ > 1.1°）よりはるかに大きなねじれ角において、相関効果はどの程度tBLGに残存するのか？（通常の準粒子記述が成立すると予想される領域で）
• RQ5 van Hove特異性およびフラットバンドは、超伝導が存在しない状況でも、金属的tBLGにおけるNFL物理学を駆動する役割を果たすのか？

主な発見

• 半フィルイン（ν = ±2）近傍で10 Kで約2 μV/Kの過剰サーモポテンシャルが観測され、40 Kまで持続した。これは半古典的モット関係の破綻を示している。
• 電気的抵抗率はT線形挙動を示し、輸送散乱率τ⁻¹ ~ k_BT/ħであり、プランク散乱と一致し、準粒子記述の破綻を示している。
• T線形抵抗率と過剰Sの併存は、魔法角から離れていてもθ ≈ 1.6°におけるtBLGに非フェルミ液体（NFL）物理学が存在することを強く示唆している。
• 観測されたサーモエレクトリックおよび輸送異常は、不純物や異方的散乱に起因するものではなく、等方的散乱を仮定してもモット関係の破綻が持続するため、それらとは無関係である。
• 六角格子上の4軌道 Hubbard モデルを用いたDMFT計算により、過剰Sを再現でき、強い電子相関がNFL挙動を駆動していることを確認した。
• これらの結果は、超伝導やモットギャップが存在しない状況でも、小さなねじれ角におけるtBLGにおける準粒子記述の破綻が、系固有の性質である可能性を示唆している。