[論文レビュー] Phonon scattering dominated electron transport in twisted bilayer graphene

Hryhoriy Polshyn, Matthew Yankowitz+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2019

Graphene research and applications参考文献 32被引用数 91

ひとこと要約

本論文は、電子-声子散乱が twisted bilayer graphene の輸送を広い温度領域で支配し、T に線形な抵抗率が著しく現れ、その勾配は平坦バンドのツイスト角に追随し、 acoustic phonon scattering と renormalized Fermi velocity によって説明される。

ABSTRACT

Twisted bilayer graphene (tBLG) has recently emerged as a platform for hosting correlated phenomena, owing to the exceptionally flat band dispersion that results near interlayer twist angle $θ\approx1.1^\circ$. At low temperature a variety of phases are observed that appear to be driven by electron interactions including insulating states, superconductivity, and magnetism. Electrical transport in the high temperature regime has received less attention but is also highly anomalous, exhibiting gigantic resistance enhancement and non-monotonic temperature dependence. Here we report on the evolution of the scattering mechanisms in tBLG over a wide range of temperature and for twist angle varying from 0.75$^\circ$ - 2$^\circ$. We find that the resistivity, $ρ$, exhibits three distinct phenomenological regimes as a function of temperature, $T$. At low $T$ the response is dominated by correlation and disorder physics; at high $T$ by thermal activation to higher moiré subbands; and at intermediate temperatures $ρ$ varies linearly with $T$. The $T$-linear response is much larger than in monolayer graphenefor all measured twist angles, and increases by more than three orders of magnitude for $θ$ near the flat-band condition. Our results point to the dominant role of electron-phonon scattering in twisted layer systems, with possible implications for the origin of the observed superconductivity.

研究の動機と目的

• ねじれ二層グラフェン (tBLG) の輸送が温度とツイスト角 (0.75°–2.0°) によってどのように変化するかを調べる。
• 温度領域ごとに支配的な散乱機構と tBLG のバンド構造との関係を特定する。
• 平坦バンド近傍で観察される大きな T線形抵抗率を音響フォノン散乱が説明できるかを評価する。
• 高温でのより高次モアレ副帯への活性化と輸送特性との関係を探る。

提案手法

• 0.75°〜2.02°のツイスト角を持つtBLGデバイスで、広い温度範囲にわたり4端子抵抗率 ρ(T) を測定する。
• 高温領域を高次モアレ副帯への活性化として解析し、アレニウス適合から活性化ギャップ Δ を抽出する。
• 音響フォノン散乱を用いて ρ = (π F D_A^2)/(g e^2 ħ ρ_m v_F^2 v_ph^2) k_B T で T線形抵抗をモデル化し、量子振動から v_F(θ) を決定する。
• Shubnikov–de Haas振動の温度依存性から v_F(θ) を決定し、θ による理論上の線形依存と関連づける。
• 角度とキャリア密度ごとに dρ/dT を比較し、フォノン結合に対するバンド構造（平坦バンド近傍）の役割を評価する。
• 活性化と帯域ギャップの観点を用いて高温の臨界温度 T_H を解釈し、それが帯域幅および副帯ギャップとどう関連するかを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる温度とツイスト角に応じて、tBLG の ρ(T) を支配する主要な散乱機構は何か。
• RQ2 T線形抵抗率の勾配 dρ/dT はツイスト角とキャリア密度にどう依存し、音響フォノン散乱が定量的に説明できるか。
• RQ3 高温輸送におけるより高いモアレ副帯への熱活性化の役割は何か。
• RQ4 平坦バンド領域での輸送に対するフェルミ速度 v_F(θ) の影響は何か、実験的な v_F(θ) は観測傾向を説明できるか。
• RQ5 観測された高温輸送特性は、tBLG における超伝導のフォノン介在機構を支持するか。

主な発見

• tBLG の抵抗率は3つの異なる温度領域を示す。低温は相関/不純度優位、中間温度は T に比例した線形領域、そして高温は活性化優位の挙動。
• T線形領域は、0.75°–2.02° のツイスト角と最低モアレ副帯内のキャリア密度で普遍的で、dρ/dT は単層グラフェンよりはるかに大きく、平坦バンド角付近（約1.1°）でピークを持つ。
• 高温ピーク温度 TH は、分散するより高次モアレ副帯への熱活性化が顕著になる領域を示し、帯域幅と高次副帯を分離するギャップと相関する。
• 観測された T線形の勾配は、Eq. ρ ∝ D_A^2/(v_F^2 v_ph^2) による音響フォノン散乱でよく説明され、モノ層グラフェンと比べて D_A/v_ph が増大すると定量的な一致が改善され、マジック角近傍での v_F の低下と整合する。
• フェルミ速度 v_F(θ) は平坦バンド角から離れるにつれておおむね θ に対して線形に増加し、実験的抽出は v_F(θ) ≈ (0.37±0.12)×(θ−1.05°)×10^6 m/s を支持する。
• 高次モアレ副帯への活性化は通常 30–90 meV、マジック角付近で最小ギャップとなり高温輸送特性を促進する。
• dρ/dT から推定される輸送電子-フォノン結合 λ_tr は、合理的なパラメータ選択の下でオーダー unity になり得て、フォノンが tBLG の超伝導に寄与する可能性を示唆する。