[論文レビュー] Symmetry-broken Chern insulators in twisted double bilayer graphene

Minhao He, Jiaqi Cai+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 49被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、約1.33°–1.39°の狭いねつぎ角度範囲において、ねつぎ二重層グラフェン（tDBG）内で対称性破れ型チェーン・インスレーター（SBCI）状態を同定し、外部磁場が存在しない状態で、整数量子化された異常ホール効果を通じて自発的時間反転対称性の破れを示した。本研究は、モアレ帯の構造と相関状態・トポロジカル状態の関係をねつぎ角度および電界シフトに結びつける位相図を確立し、約1.34°の最適ねつぎ角度付近で、対称性破れ状態の階層的構造を明らかにした。

ABSTRACT

Twisted double bilayer graphene (tDBG) has emerged as an especially rich platform for studying strongly correlated and topological states of matter. The material features moiré bands that can be continuously deformed by both perpendicular displacement field and twist angle. Here, we construct a phase diagram representing of the correlated and topological states as a function of these parameters, based on measurements on over a dozen tDBG devices encompassing the two distinct stacking configurations in which the constituent Bernal bilayer graphene sheets are rotated either slightly away from 0° or 60°. We find a hierarchy of symmetry-broken states that emerge sequentially as the twist angle approaches an apparent optimal value of $θ\approx$ 1.34°. Among them, we discover a sequence of symmetry-broken Chern insulator (SBCI) states that arise only within a narrow range of twist angles ($\approx$ 1.33° to 1.39°). We observe an associated anomalous Hall effect at zero field in all samples supporting SBCI states, indicating spontaneous time-reversal symmetry breaking and possible moiré unit cell enlargement at zero magnetic field.

研究の動機と目的

• ねつぎ角度および電界シフトの関数として、ねつぎ二重層グラフェン（tDBG）における強い相関状態およびトポロジカル状態の出現を調査すること。
• 異なるスタッキング構造を有するtDBGにおいて、対称性破れ型チェーン・インスレーター（SBCI）状態の同定および特性評価を行うこと。
• モアレ帯の設計と相関状態・トポロジカル状態の関係を結びつける包括的な位相図を確立すること。
• 外部磁場が存在しない状態で、対称性破れがどのようにトポロジカル秩序を可能にするかを調査すること。
• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造において、自発的時間反転対称性の破れが発生する条件を解明すること。

提案手法

• 0°および60°に近いねつぎ角度を有する2種類のスタッキング構造を有する、10以上ものtDBGデバイスを製作した。
• 垂直方向の電界シフトを印加し、ねつぎ角度を調整することで、モアレ帯を連続的に変形した。
• ホール抵抗の測定を含む電気的輸送特性を測定し、整数量子化された異常ホール状態を検出した。
• ねつぎ角度および電界シフトを系統的に変化させることで、相関状態の進化を分析した。
• ランダウ準位分光法および対称性解析を用いて、モアレ単位格子の拡大の兆候を同定した。
• 実験的観察結果を、チェーン・インスレーターの挙動および時間反転対称性の破れに関する理論的予測と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねつぎ角度および電界シフトの関数として、ねつぎ二重層グラフェンにどのようなトポロジカル状態および相関状態が出現するか？
• RQ2 対称性破れ型チェーン・インスレーター状態が現れるねつぎ角度範囲は何か？ また、それらはどのような要因によって安定化されるか？
• RQ3 tDBGにおいて外部磁場が存在しない状態で、自発的時間反転対称性の破れを観測できるか？
• RQ4 スタッキング構造（0°付近対比60°付近）が、対称性破れ状態の階層的構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 モアレ帯構造、対称性破れ、および整数量子化された異常ホール効果の出現との関係は何か？

主な発見

• 対称性破れ型チェーン・インスレーター（SBCI）状態は、約1.33°から1.39°の狭いねつぎ角度範囲でのみ出現する。
• SBCI状態を示すすべてのサンプルで、ゼロ磁場下に異常ホール効果が観測され、自発的時間反転対称性の破れを示している。
• SBCI形成の最適ねつぎ角度は約1.34°であり、この値に近づくにつれて、明確な対称性破れ状態の階層的構造が顕在化した。
• SBCI状態は、ねつぎ角度および電界シフトによるモアレ帯設計の組み合わせによって安定化されている。
• ゼロ磁場下の異常ホール効果および対称性破れの兆候から、モアレ単位格子の拡大の可能性が示唆された。
• 位相図は、相関状態およびトポロジカル状態の豊かな系列を明らかにし、SBCI状態は位相図において明確で狭い相として出現した。