[論文レビュー] Heavy quasiparticles and cascades without symmetry breaking in twisted bilayer graphene

Anushree Datta, M. J. Calderón+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2023

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、対称性の破れを必要とせず、通常状態における強い局所的相関が、ねじれヘテロステライトグラフェン（TBG）における重い準粒子およびスペクトルカスケードを生じると提案する。8軌道モデルを用いたDMFT+ハートリー法により、周波数依存の自己エネルギーと断片的トポロジーに起因する運動量依存の非一様スペクトル重みと関連する、スペクトル重みのカスケード的流れ、遠く離れたバンドエネルギーの振動、非対称な圧縮率ジャンプといった、実験的特徴を再現した。

ABSTRACT

Among the variety of correlated states exhibited by twisted bilayer graphene, cascades in the spectroscopic properties and in the electronic compressibility occur over larger ranges of energy, twist angle and temperature compared to other effects. This suggests a hierarchy of phenomena. Using combined dynamical mean-field theory and Hartree calculations, we show that the spectral weight reorganisation associated with the formation of local moments and heavy quasiparticles can explain the cascade of electronic resets without invoking symmetry breaking orders. The phenomena reproduced here include the cascade flow of spectral weight, the oscillations of remote band energies, and the asymmetric jumps of the inverse compressibility. We also predict a strong momentum differentiation in the incoherent spectral weight associated with the fragile topology of twisted bilayer graphene.

研究の動機と目的

• 対称性の破れを仮定せずに、ねじれヘテロステライトグラフェン（TBG）におけるカスケード的スペクトル重み再編成を説明すること。
• 通常状態における強い局所的相関が、スペクトルカスケードや圧縮率ジャンプといった実験的特徴を説明できるかどうかを特定すること。
• TBGにおける運動量分解された非一様スペクトル重みの形状に、断片的トポロジーが果たす役割を調査すること。
• 最小の相関モデルを用いて、バンドの振動、準粒子ピーク、逆圧縮率ジャンプといった、主要な分光的特徴を再現すること。

提案手法

• 局所的クーロン相互作用（U）をAA p軌道に適用するため、動的平均場理論（DMFT）を用い、非局所的および軌道間相互作用はハートリー近似で扱った。
• 1つのバルクおよびスピンに対して8軌道モデルを用い、θ = 1.08°におけるTBGの低エネルギーバンド構造を、モアレ単位胞に局在化したワニエ関数を用いてフィッティングした。
• 二重自己無撞着ループを実装した：まずAA p軌道の周波数依存自己エネルギーをDMFT反復で計算し、次に更新された軌道占有数に基づいて、オンサイトポテンシャルをハートリー更新した。
• 同等の軌道に対して同一の自己エネルギーおよびグリーン関数を課すことにより、自発的対称性の破れを抑制した。
• マツバラ自己エネルギーの解析的続行を最大エントロピー法を用いて行い、スペクトル関数を計算した。
• 実験的SET測定に一致させるために、DMFTフレームワーク内での局所的化学ポテンシャルから逆圧縮率を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれヘテロステライトグラフェンにおける観測されたスペクトル重みのカスケードは、対称性の破れを仮定せず、通常状態における強い局所的相関によって説明可能か？
• RQ2 遠く離れたバンドエネルギーの振動および逆圧縮率の非対称ジャンプは、秩序相ではなく、局所的多体効果によってどの程度生じるのか？
• RQ3 断片的トポロジーは、TBGにおける運動量分解された非一様スペクトル重みの分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 強く相関するAA p軌道と、それより相関が弱いlc軌道との混合が、スペクトル特徴をどのように形作るか？
• RQ5 DMFT+ハートリー法は、有限温度におけるSTMおよびSET実験で観測された主要な分光的特徴を定量的に再現できるか？

主な発見

• DMFT+ハートリー計算により、~44.5 meVからω = 0に向かう非一様スペクトル重みのカスケード的流れが再現され、STM観測と一致した。
• ドーピング依存の自己エネルギーおよびハートリーシフトのおかげで、平坦バンド領域における遠く離れたバンドエネルギーの振動が自然に再現された。
• SET実験で観測された逆圧縮率の非対称ジャンプは、対称性の破れを必要とせず、周波数依存自己エネルギーおよびスペクトル重み再分配によって生じた。
• モデルは、モアレバンド構造の断片的トポロジーと関連する、強い運動量依存性の非一様スペクトル重みを予測した。
• スペクトル重み再編成は、T = 6 Kでも、対称性の破れ状態が抑制される通常状態においても、局所的モーメント形成および重い準粒子の出現によって駆動された。
• フィッティングモデルにおけるワニエ状態と連続体モデルとの重なりは99%を超えており、8軌道ハミルトニアンが低エネルギー物理を正確に記述できることを検証した。