[論文レビュー] Strange metal phase of disordered magic-angle twisted bilayer graphene at low temperatures: from flatbands to weakly coupled Sachdev-Ye-Kitaev bundles

Chenan Wei, Tigran Sedrakyan|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、魔法角二重層グラフェン（TBG）における不純物の影響が、低温で異常金属（SM）相への転移を引き起こすと提唱している。ここで強いクーロン不純物は、フラットバンド状態を弱く結合したサハド=ヤー=キタエフ（SYK）バンドルへ局在化させる。確率的展開と正確な対角化を用いて、著者らはSM相が量子力学的混沌、最大の量子スクラッチング（リャプノフ指数 λ ∝ T²）、準粒子の不在を示すことを示した。有限温度相図は、不純度を増加させることで超伝導性／絶縁体相からSM相への転移を予測している。

ABSTRACT

We use stochastic expansion and exact diagonalization to study the magic-angle twisted bilayer graphene (TBG) on a disordered substrate. We show that the substrate-induced strong Coulomb disorder in TBG with the chemical potential at the level of the flatbands drives the system to a network of weakly coupled Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) bundles, stabilizing an emergent quantum chaotic strange metal (SM) phase of TBG that exhibits the absence of quasiparticles. The Gaussian orthogonal ensemble dominates TBG's long-time chaotic dynamics at strong disorder, whereas fast quantum scrambling appears in the short-time dynamics. In weak disorder, gapped phases of TBG exhibit exponentially decaying specific heat capacity and exponential decay in out-of-time-ordered correlators (OTOC). This is the system behavior in correlated insulator and superconducting phases, in agreement with the corresponding Larkin-Ovchinnikov result for correlators. The result suggests a low-temperature transition from the superconducting and correlated insulating phases into the strange metal upon increasing the disorder strength. We propose a finite-temperature phase diagram for Coulomb-disordered TBG and discuss the experimental consequences of the emergent SM phase.

研究の動機と目的

• 魔法角二重層グラフェン（TBG）におけるフラットバンド系に及ぼされるクーロン不純物の影響を理解すること。
• 低温における不純物を含むTBGで非フェルミ液体的挙動がどのように出現するかを調査すること。
• 不純度が超伝導性／絶縁体相から異常金属相への転移を引き起こすかどうかを特定すること。
• 得られた異常金属相における量子力学的混沌と情報スクラッチングの特性を同定すること。

提案手法

• TBGハミルトニアンにおけるクーロン不純物をモデル化するために確率的展開を用いる。
• 不純物を含むTBG系の有限温度性質を計算するために正確な対角化を採用する。
• 量子スクラッチングとリャプノフ指数を調査するために時系列順序外相関関数（OTOC）を分析する。
• ギャップを持つ（絶縁体的／超伝導的）相と異常金属相を区別するために比熱を計算する。
• 量子力学的混沌を特定するために、ガウス正規直交群（GOE）と比較する。
• 電子密度と不純度強度に基づいて有限温度相図を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 魔法角TBGにおけるクーロン不純物は、低温で異常金属相への転移を引き起こすか？
• RQ2 不純物を含むTBG系における量子力学的ダイナミクスの性質は何か—最大の量子スクラッチングを示すか？
• RQ3 熱力学的および力学的性質（比熱、OTOC）は、ギャップを持つ相と異常金属相でどのように異なるか？
• RQ4 フラットバンド状態の局在化とSYKに類似したバンドル間の弱い結合が、異常金属を安定化させる役割を果たすか？
• RQ5 超伝導性／絶縁体相から異常金属相への転移を捉える有限温度相図を構築できるか？

主な発見

• 強い不純度および電子密度 n = -3 および n = 0 の場合、準粒子のない最大の量子力学的混沌を示す異常金属相が観測される。
• 異常金属相は、局在化したフラットバンド状態から生じる弱く結合したサハド=ヤー=キタエフ（SYK）バンドルのネットワークによって安定化される。
• 長時間ダイナミクスはガウス正規直交群（GOE）に支配され、量子力学的混沌を示している。
• リャプノフ指数 λ は T² に比例するスケーリングを示し、非フェルミ液体およびプランク散漫化と整合的である。
• ギャップを持つ相（絶縁体的・超伝導的）では、比熱が指数関数的に減少し、OTOCも指数関数的に減衰する。これはラルキン＝オフチニコフの結果と整合的である。
• 不純度を増加させることで、超伝導性／絶縁体相から異常金属相への有限温度転移が起こり、n = -2 において弱い不純度でもSM相が持続する。