[論文レビュー] Tracing out Correlated Chern Insulators in Magic Angle Twisted Bilayer Graphene

Youngjoon Choi, Hyunjin Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2020

Graphene research and applications被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、有限の磁場下における魔法角二重スピングラフェン（MATBG）のトポロジカル相を走査トンネル顕微鏡（STM）を用いてマッピングし、整数充填状態から六つの明確に区別できるチェーン数絶縁体状態が出現することを明らかにした。局所状態密度（LDOS）を追跡し、ランダウ・ファン図を構築することで、著者らはチェーン数を直接割り当て、ねじれ角や電子密度に敏感な強い相関駆動型対称性破れ遷移を解明した。

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) exhibits a range of correlated phenomena that originate from strong electron-electron interactions. These interactions make the Fermi surface highly susceptible to reconstruction when $ \\pm 1, \\pm 2, \\pm 3$ electrons occupy each moir\\' e unit cell and lead to the formation of correlated insulating, superconducting and ferromagnetic phases. While some phases have been shown to carry a non-zero Chern number, the local microscopic properties and topological character of many other phases remain elusive. Here we introduce a set of novel techniques hinging on scanning tunneling microscopy (STM) to map out topological phases in MATBG that emerge in finite magnetic field. By following the evolution of the local density of states (LDOS) at the Fermi level with electrostatic doping and magnetic field, we visualize a local Landau fan diagram that enables us to directly assign Chern numbers to all observed phases. We uncover the existence of six topological phases emanating from integer fillings in finite fields and whose origin relates to a cascade of symmetry-breaking transitions driven by correlations. The spatially resolved and electron-density-tuned LDOS maps further reveal that these topological phases can form only in a small range of twist angles around the magic-angle value. Both the microscopic origin and extreme sensitivity to twist angle differentiate these topological phases from the Landau levels observed near charge neutrality. Moreover, we observe that even the charge-neutrality Landau spectrum taken at low fields is considerably modified by interactions and exhibits an unexpected splitting between zero Landau levels that can be as large as ${\\sim }\\,3-5$ meV. Our results show how strong electronic interactions affect the band structure of MATBG and lead to the formation of correlation-enabled topological phases.

研究の動機と目的

• 有限の磁場下における魔法角二重スピングラフェン（MATBG）のトポロジカル相の特定と特徴付け。
• MATBGにおける相関効果による絶縁状態の微視的起源とトポロジカル不変量（チェーン数）の特定。
• 電子間相関とねじれ角への感受性が、トポロジカル相の安定化に果たす役割の解明。
• 電荷中性付近のバンド構造およびランダウ準位スペクトルの解明、特に電子・正孔非対称性および異常なエネルギー分裂の起源の解明。
• モアレ材料における相関駆動型トポロジカル秩序をプローブするためのSTMを用いた分光技術の開発。

提案手法

• 低温走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、WSe2基板上に形成されたMATBGの局所状態密度（LDOS）を測定。
• 静電的ゲーティングと垂直磁場を適用し、電子密度を調整し、ランダウ準位の形成を調査。
• ゲート電圧と磁場の変化に伴うフェルミ準位におけるLDOSの変化を追跡し、局所的ランダウ・ファン図を構築。
• 空間的に解像されたLDOSマップを用いて、特定の充填状態におけるギャップ状態および相転移を同定。
• 上面像におけるAAスタッキング周期性を用いてねじれ角を測定し、トポロジカル相の安定性と相関付ける。
• ランダウ準位間のエネルギー隔たりを分析し、デイビッド速度と相互作用効果を推定。非相互作用モデルと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限の磁場下におけるMATBGの相関効果による絶縁状態のチェーン数は何か？
• RQ2 電子間相関がどのように対称性破れ遷移を駆動し、トポロジカル秩序を生じさせるか？
• RQ3 ねじれ角の変化が、トポロジカル相の安定化または不安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 電荷中性付近のランダウ準位が四重に degenerate であり、非相互作用モデルと整合しない大きなエネルギー分裂を示す理由は何か？
• RQ5 電荷中性付近におけるゼロランダウ準位の電子・正孔非対称性および相関効果による分裂が、フラットバンド物理学に与える影響は何か？

主な発見

• 整数充填状態（ν = ±1, ±2, ±3）から有限の磁場下で六つの明確に区別できるトポロジカル相が出現し、それぞれが明確なチェーン数を持つ。
• チェーン絶縁体状態は相関駆動型対称性破れ遷移によって安定化され、ねじれ角に強く依存しており、電子帯と正孔帯で魔法角条件が異なることが判明した。
• LDOSマップから構築されたランダウ・ファン図により、観測された相にチェーン数を直接割り当てることができ、それらのトポロジカル性が確認された。
• ゼロランダウ準位の分裂は最大で ∼3–5 meV に達し、電荷中性付近における強い電子・正孔非対称性および相関効果を示している。
• 測定されたデイビッド速度は ∼1.5–2×10⁵ m/s であり、非相互作用連続体モデルの予測のおよそ10倍に達しており、強い相関効果を示唆している。
• 電荷中性からドーピングされた領域でも、ランダウ準位のエネルギー隔たりはほとんど変化せず、フラットバンド内における分散性ポケットの変形が最小限であることが示唆された。