[論文レビュー] The Thermoelectric Effect and Its Natural Heavy Fermion Explanation in Twisted Bilayer and Trilayer Graphene

Dumitru Călugăru, Haoyu Hu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2024

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、局在的で相関の強いf電子と移動性の高いc電子が共存する、ねじれビレイヤーおよびトリレイヤー graphene (TBG) における非従来型の熱電気的挙動を説明するため、トポロジカル重フェルミオン (THF) モデルを提案する。このモデルは、正の充填率における負の、歯型に振動するゼーベック係数を、寿命の非対称性と強い相関に起因すると説明し、c電子が長い寿命と強い分散性を示すため、輸送を支配しており、新しい実験データと良好に一致する。

ABSTRACT

We study the interacting transport properties of twisted bilayer graphene (TBG) using the topological heavy-fermion (THF) model. In the THF model, TBG comprises localized, correlated $f$-electrons and itinerant, dispersive $c$-electrons. We focus on the Seebeck coefficient, which quantifies the voltage difference arising from a temperature gradient. We find that the TBG's Seebeck coefficient shows unconventional (strongly-interacting) traits: negative values with sawtooth oscillations at positive fillings, contrasting typical band-theory expectations. This behavior is naturally attributed to the presence of heavy (correlated, short-lived $f$-electrons) and light (dispersive, long-lived $c$-electrons) electronic bands. Their longer lifetime and stronger dispersion lead to a dominant transport contribution from the $c$-electrons. At positive integer fillings, the correlated TBG insulators feature $c$- ($f$-)electron bands on the electron (hole) doping side, leading to an overall negative Seebeck coefficient. Additionally, sawtooth oscillations occur around each integer filling due to gap openings. Our results highlight the essential importance of electron correlations in understanding the transport properties of TBG and, in particular, of the lifetime asymmetry between the two fermionic species (naturally captured by the THF model). Our findings are corroborated by new experiments in both twisted bilayer and trilayer graphene, and show the natural presence of strongly-correlated heavy and light carriers in the system.

研究の動機と目的

• ねじれビレイヤーおよびトリレイヤー graphene (TBG) における非従来型の熱電気的輸送、特に正の充填率における負のゼーベック係数と歯型の振動を説明すること。
• ねじれ2次元材料における強い相関電子系を記述するにあたり、従来のバンド理論の限界を克服すること。
• トポロジカル重フェルミオン (THF) モデルを、TBGにおける重い（f電子）と軽い（c電子）フェルミオン準粒子の共存を記述する自然な枠組みとして確立すること。
• 理論的予測を最近のTBGにおける熱電力測定と結びつけ、電子相関と寿命の非対称性の役割を検証すること。

提案手法

• TBGを局在的で相関の強いf電子と移動性で分散性のあるc電子の系として扱うトポロジカル重フェルミオン (THF) モデルを採用する。
• THFフレームワークを用いて、電子相関効果とf電子とc電子間の寿命の違いを組み込んだ、充填率関数としてのゼーベック係数を計算する。
• 整数充填率におけるギャップ開きをモデル化し、ゼーベック係数における歯型の振動を導出する。
• 準粒子の寿命とバンド分散に応じた輸送寄与を重みづけして分析し、c電子が長い寿命と強い分散性を示すため、輸送を支配する。
• arXiv:2402.11749 および arXiv:2402.12296 からの理論的予測と実験データを比較し、モデルの正確性を検証する。
• 3+36枚の図版と6つの表を含む、5+106ページにわたる理論的枠組みを用いて、異なる充填率と相関強度における輸送応答を体系的に探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜねじれビレイヤー graphene におけるゼーベック係数は、標準的なバンド理論の予測とは反して、正の整数充填率で負の値を示し、歯型に振動するのか？
• RQ2 強い相関と重いf電子と軽いc電子の間の寿命の非対称性が、ねじれ2次元材料における熱電気的輸送にどのように寄与するのか？
• RQ3 トポロジカル重フェルミオン (THF) モデルは、ねじれビレイヤーおよびトリレイヤー graphene における実験的熱電力測定をどの程度定量的に再現できるか？
• RQ4 整数充填率におけるギャップ開きが、観測された歯型に似たゼーベック係数の振動を生成する役割を果たすのか？
• RQ5 強い相関を持つf電子が存在する中で、c電子が長い寿命と強い分散性を示すことによって、なぜ輸送において支配的になるのか？

主な発見

• ねじれビレイヤー graphene におけるゼーベック係数は、正の充填率で負の値を示し、歯型に振動する。これは標準的なバンド理論とは一致しないが、THFモデルによって自然に説明可能である。
• 輸送の主な寄与は、f電子がより強く相関しているにもかかわらず、c電子が長い寿命と強い分散性を示すため支配的である。
• 整数充填率では、電子ドーピング側にc電子バンドが、ホールドーピング側にf電子バンドが形成され、全体として負のゼーベック係数が得られる。
• 各整数充填率の周囲にギャップ開きが生じることで、歯型の振動が発生し、THFモデルによる相関絶縁状態の記述によって捉えられる。
• THFモデルの理論的予測は、ねじれビレイヤーおよびトリレイヤー graphene における新しい実験測定と良好に一致し、強い相関を持つ重いおよび軽い準粒子の存在を確認する。
• このモデルは、非従来型の熱電気的応答を説明するために不可欠なf電子とc電子間の寿命の非対称性をうまく説明している。