[論文レビュー] Tunable van Hove Singularities and Correlated States in Twisted Trilayer Graphene

Yanmeng Shi, Shuigang Xu+17 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Apr 26, 2020

Graphene research and applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ねじれ角と配置場が電子バンド構造を制御するねじれ三層グラフェン（tTLG）において、調整可能なヴァン・ホーフェ・特異点と相関電子状態が示された。フェルミ準位近くに平坦なバンドを設計することで、著者らは超伝導状態やモット絶縁体状態を含む強い相関効果を観測し、2次元ファンデルワールスヘテロ構造における相関物理を研究するための非常に調整可能なプラットフォームを提供した。

ABSTRACT

Understanding and tuning correlated states is of great interest and significance to modern condensed matter physics. The recent discovery of unconventional superconductivity and Mott-like insulating states in magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) presents a unique platform to study correlation phenomena, in which the Coulomb energy dominates over the quenched kinetic energy as a result of hybridized flat bands. Extending this approach to the case of twisted multilayer graphene would allow even higher control over the band structure because of the reduced symmetry of the system. Here, we study electronic transport properties in twisted trilayer graphene (tTLG, bilayer on top of monolayer graphene heterostructure). We observed the formation of van Hove singularities which are highly tunable by twist angle and displacement field and can cause strong correlation effects under optimum conditions, including superconducting states. We provide basic theoretical interpretation of the observed electronic structure.

研究の動機と目的

• ねじれバイレイヤー・グラフェンと比較して対称性が低い系であるねじれ三層グラフェン（tTLG）における強い相関電子状態の出現を調査すること。
• ねじれ角と配置場の調整が電子バンド構造およびヴァン・ホーフェ特異点の形成に与える影響を調査すること。
• 平坦なバンドと強い電子相関（超伝導性やモット絶縁体的挙動を含む）がtTLGで安定化される条件を特定すること。
• 観測された電子構造と相関現象を説明する理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 二層グラフェンを単層グラフェンの上に積層したねじれ三層グラフェンヘテロ構造の作製により、ねじれ角と層間結合を制御可能とした。
• キャリア密度を調整し、配置場を印加するためにフィールド効果ゲートを用いた電子的輸送特性の測定。
• ねじれ角と配置場を独立した調整パラメータとして用い、状態密度におけるヴァン・ホーフェ特異点の位置と強度を制御した。
• フェルミ準位近くに形成される平坦なバンドを含む観測されたバンド構造を解釈するための理論的モデリングを実施した。
• 量子振動と抵抗の特徴を分析し、相関絶縁体的および超伝導的状態の存在を特定した。
• モアレスーパーラティスのポテンシャルを記述する連続モデルハミルトニアンの予測と実験的観察を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれ角と配置場は、ねじれ三層グラフェンにおけるヴァン・ホーフェ特異点の形成と調整性にどのように影響するか？
• RQ2 どのような条件下でtTLGに平坦なバンドが出現し、それが強い電子相関をどのように可能にするか？
• RQ3 tTLGで超伝導状態とモット絶縁体的状態を安定化させることができるか。また、それらはヴァン・ホーフェ特異点の位置とどのように関係するか？
• RQ4 ねじれバイレイヤー・グラフェンと比較して、tTLGにおける対称性の低さが相関状態の制御強化に果たす役割は何か？
• RQ5 観測された輸送特性は、電子バンド構造の理論的予測とどのように相関しているか？

主な発見

• ねじれ三層グラフェンにおけるヴァン・ホーフェ特異点は、ねじれ角と配置場の両方で高精度に調整可能であり、フェルミ準位近くの状態密度を精密に制御できる。
• 特定のねじれ角と配置場に調整することで、フェルミエネルギー付近に平坦なバンドが安定化され、強い電子相関が生じる。
• 相関絶縁体的相の近くに超伝導状態が観測され、非単純超伝導性に近い状態であることが示唆された。
• 特定の充填因子においてモット的絶縁体的状態が出現し、平坦なバンドの存在下での強いクーロン反発と整合的であった。
• 理論的モデリングにより、観測されたバンド構造の特徴（ヴァン・ホーフェ特異点や平坦なバンド）が、モアレ周期性と層間結合の相互作用に起因することが確認された。
• 三層構造に由来する対称性の低さと追加の制御パラメータのおかげで、ねじれバイレイヤー・グラフェンと比較して、より高い調整性を示した。