[論文レビュー] Spectroscopic signatures of many-body correlations in magic angle twisted bilayer graphene

Yonglong Xie, Lian, Biao+7 more|RePEc: Research Papers in Economics|Jun 21, 2019

Graphene research and applications被引用数 37

ひとこと要約

本論文は、マジックアングル重ね合わせた二層グラフェン（MATBG）における強い多体相関の証拠を、高分解 STM 分光法を用いて示し、平均場の電子間相互作用モデルと整合しない特徴が得られ、経験的な拡張ハバードモデルのクラスター計算によって再現されることを示している。

ABSTRACT

The discovery of superconducting and insulating states in magic angle twisted bilayer graphene (MATBG) has ignited considerable interest in understanding the nature of electronic interactions in this chemically pristine material system. The phenomenological similarity of the MATBG transport properties as a function of doping with those of the high-Tc cuprates and other unconventional superconductors suggests the possibility that MATBG may be a highly interacting system. However, there have not been any direct experimental evidence for strong many-body correlations in MATBG. Here we provide such evidence from using high-resolution spectroscopic measurements, as a function of carrier density, with a scanning tunneling microscopy (STM). We find MATBG to display unusual spectroscopic characteristics that can be attributed to electron-electron interactions over a wide range of doping, including when superconductivity emerges in this system. We show that our measurements cannot be explained with a mean-field approach for modeling electron-electron interaction in MATBG. The breakdown of a mean-field approach for understanding the properties of other correlated superconductors, such as cuprates, has long inspired the study of highly correlated Hubbard model. We show that a phenomenological extended Hubbard model cluster calculation, motivated by the nearly localized nature of the relevant electronic states of MATBG produces spectroscopic features similar to those we observe experimentally. Our findings demonstrate the critical role of many-body correlations in understanding the properties of MATBG.

研究の動機と目的

• 他の非従来型超導体への輸送アナロジーを超えて MATBG における強い電子相関の探索を動機づける。
• さまざまなキャリア密度にわたり STM を用いて MATBG における多体効果の直接的証拠を示す。
• 観測された分光特徴を平均場モデルが説明できないことを示す。
• 経験的な拡張ハバードモデルが STM 観測を再現できるかを評価する。

提案手法

• キャリア密度の関数として MATBG に対して高分解能走査型トンネル顕微鏡(STM) 分光を実施する。
• 平均場の期待値から逸脱する電子間相互作用の兆候を示す分光特徴を分析する。
• 実験スペクトルを経験的な拡張ハバードモデルのクラスター計算の予測と比較する。
• MATBG におけるほぼ局在化した電子状態がモデル選択を動機づけ、観測された特徴を解釈する。
• 観測された分光特徴が広範なドーピング範囲、超伝導領域を含むを通じて持続することを確立する。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MATBG における STM 分光特徴は、平均場の説明を超える強い多体相関を示しているのか？
• RQ2 クラスター計算を伴う経験的な拡張ハバードモデルは、観測された MATBG のスペクトルを再現できるのか？
• RQ3 分光特徴はキャリア密度とどのように進化するのか、特に超伝導領域を通じて？
• RQ4 スペクトルと相関を形作る MATBG におけるほぼ局在化した電子状態の役割は何か？

主な発見

• MATBG の STM 分光は、広範なドーピング範囲にわたり電子間相互作用に起因する異常な特徴を示す。
• データは MATBG における電子間相互作用の平均場処理では説明できない。
• 経験的な拡張ハバードモデルのクラスター計算は、実験観測と類似した分光特徴を生み出す。
• これらの発見は、超伝導状態を含む MATBG の特性理解における多体相関の重要な役割を浮き彫りにする。