[論文レビュー] Hierarchy of Symmetry Breaking Correlated Phases in Twisted Bilayer Graphene

Robert Polski, Yiran Zhang+9 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Graphene research and applications被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、1.1°付近のさまざまなねつ角度において、ねつ二層グラフェン（TBG）の対称性破れ相の階層をマッピングし、超伝導性および高温の対称性破れ転移が、もはや魔法の角度に限定されないほど、はるかに広い角度範囲にわたり持続することを明らかにした。著者らは、この頑健性を、相互作用駆動のバンド再構築とベリー曲率再分配に起因するとする。WSe₂カプセル化によりねつ角度の不均一性が低減され、相の安定性が向上した。

ABSTRACT

Twisted bilayer graphene (TBG) near the magic twist angle of $\sim1.1^{o}$ exhibits a rich phase diagram. However, the interplay between different phases and their dependence on twist angle is still elusive. Here, we explore the stability of various TBG phases and demonstrate that superconductivity near filling of two electrons per moiré unit cell alongside Fermi surface reconstructions, as well as entropy-driven high-temperature phase transitions and linear-in-T resistance occur over a range of twist angles which extends far beyond those exhibiting correlated insulating phases. In the vicinity of the magic angle, we also find a metallic phase that displays a hysteretic anomalous Hall effect and incipient Chern insulating behaviour. Such a metallic phase can be rationalized in terms of the interplay between interaction-driven deformations of TBG bands leading to Berry curvature redistribution and Fermi surface reconstruction. Our results provide an extensive perspective on the hierarchy of correlated phases in TBG as classified by their robustness against deviations from the magic angle or, equivalently, their electronic interaction requirements.

研究の動機と目的

• 魔法の角度近辺のさまざまなねつ角度において、ねつ二層グラフェン（TBG）の相の安定性と進化を調査すること。
• 電子相互作用と不純度が、TBGにおける超伝導相および対称性破れ相を安定化させる役割を特定すること。
• WSe₂カプセル化がねつ角度不純度を低減し、TBGデバイスにおける相の整合性を向上させる影響を評価すること。
• 魔法の角度からのずれや相互作用強度に対する耐性の観点から、相の階層をマッピングすること。
• 魔法の角度付近におけるフェルミ面再構築、ベリー曲率再分配、および顕れるトポロジカルな挙動の相関を調査すること。

提案手法

• hBNカプセル化されたヘテロ構造にWSe₂キャピングレイヤーを追加した複数のTBGデバイスを用い、0.79°～1.23°のねつ角度範囲で系統的な輸送測定を実施。
• 四端子プローブ測定により、複数の接触ペアを介した縦抵抗（Rxx）およびホール抵抗（Rxy）を評価し、相の均一性と不純度効果を検出。
• 抵抗ピーク、ホール密度の再セット、ランドー・ファン図を分析して、相関絶縁体状態、対称性破れの連鎖的転移、超伝導転移を同定。
• 電気的遮断場（D）の調整を用いて、対称性破れを調べ、D不変の超伝導性をテストし、基板由来の非対称性が最小限であることを示す。
• バンド再構築、ベリー曲率再分配、相互作用駆動フェルミ面変形の理論モデルと輸送データを比較。
• STMデータと接触ペア間の四端子測定の一貫性を用いて、ねつ角度不純度と観測された特徴を相関づけ、デバイスの均一性を定量。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.79°～1.23°の範囲におけるねつ角度の変化に伴い、TBGにおける超伝導相および対称性破れ相の安定性はどのように変化するか？
• RQ2 高温度の対称性破れ転移および超伝導性は、狭い魔法の角度領域をはるかに超えてどれほど持続するか？
• RQ3 WSe₂カプセル化は、どのようにねつ角度不純度を低減し、TBGデバイスにおける相の頑健性を向上させるか？
• RQ4 相互作用駆動のバンド再構築とベリー曲率再分配が、異常ホール効果を示す金属相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 ホール密度の再セットや抵抗プラトーといった輸送的特徴は、相関絶縁体および超伝導性の存在とどのように相関するか？

主な発見

• ν = ±2電子/モアレ単位胞における超伝導性は、0.79°～1.23°の広いねつ角度範囲にわたり持続し、複数のデバイスで臨界温度（Tc）が1 Kを超える。
• 高温の対称性破れ連鎖的転移およびフェルミ面再構築は、相関絶縁体よりも広い角度範囲で観測されるが、相関絶縁体は0.97°～1.15°に限定される。
• 魔法の角度付近に、ヒステリックな異常ホール効果と初期のチーンス絶縁体的挙動を示す金属相が出現し、強い相関効果とベリー曲率再分配を示唆する。
• WSe₂カプセル化により、数百ナノメートルからミクロンスケールのねつ角度不純度が低減され、接触ペア間での一貫性ある四端子測定と、超伝導特徴におけるD場依存性の最小化によって裏付けられた。
• 複数の接触ペアにわたる抵抗と超伝導的挙動が一様なデバイスでは、全体的なねつ角度のずれが検出可能な限界以下であり、高い均一性を示す。
• ホール側で1.04°～1.23°のねつ角度を持つデバイスでは、明確に観測された、特定の充填状態（例：ν = +2）におけるホール密度の再セットと特異点が、フレーバー対称性破れの明確な兆候を示している。