[論文レビュー] Universal moiré nematic phase in twisted graphitic systems

Carmen Rubio-Verdú, Simon Turkel+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2020

Graphene research and applications参考文献 11被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡を用いて、ねじれ二重バイレイヤー石墨烯における普遍的なモアレネマチック相を同定した。この相は、電子間相互作用によって引き起こされる、フラットバンド内でのみ観測されるC3対称性の破れを示しており、整数充填でない状態でも発現する。このネマチック秩序は、原子格子ではなくモアレスケールでのみ現れる発現的現象であり、フラットバンドモアレ材料における普遍的な不安定性を示している。

ABSTRACT

Graphene moiré superlattices display electronic flat bands. At integer fillings of these flat bands, energy gaps due to strong electron-electron interactions are generally observed. However, the presence of other correlation-driven phases in twisted graphitic systems at non-integer fillings is unclear. Here, we report scanning tunneling microscopy (STM) measurements that reveal the existence of threefold rotational (C3) symmetry breaking in twisted double bilayer graphene (tDBG). Using spectroscopic imaging over large and uniform areas to characterize the direction and degree of C3 symmetry breaking, we find it to be prominent only at energies corresponding to the flat bands and nearly absent in the remote bands. We demonstrate that the C3 symmetry breaking cannot be explained by heterostrain or the displacement field, and is instead a manifestation of an interaction-driven electronic nematic phase, which emerges even away from integer fillings. Comparing our experimental data with a combination of microscopic and phenomenological modeling, we show that the nematic instability is not associated with the local scale of the graphene lattice, but is an emergent phenomenon at the scale of the moiré lattice, pointing to the universal character of this ordered state in flat band moiré materials.

研究の動機と目的

• フラットバンドの整数充填を超えた相関駆動電子相の研究。
• ねじれ二重バイレイヤー石墨烯（tDBG）における観測された三重回転対称性（C3）対称性破れの起源を特定すること。
• 歪み、電界シフト、および電子間相互作用が、対称性破れの原因であるかどうかを区別すること。
• ネマチック秩序がモアレスケールでの発現的現象であるのか、それとも局所的原子構造に依存するのかを特定すること。
• 実験的・理論的分析を統合して、フラットバンドモアレ材料におけるネマチック相の普遍性を示すこと。

提案手法

• 空間的・エネルギー的依存性を有するC3対称性破れをマップするために、広範囲かつ均一な領域における分光的イメージングを用いた走査トンネル顕微鏡（STM）。
• モアレスーパーラティス上での局所的電子構造を測定し、遠方バンドからの寄与をフラットバンド寄与から分離する。
• 実験データとマイクロスコピックおよび擬臨界的モデルの比較により、歪みや電界シフトが対称性破れの原因でないことを除外する。
• 多体理論的モデリングを用いて、ネマチック不安定性の相互作用駆動の起源を特定する。
• キャリア密度依存性を評価するため、異なる電子充填状態における対称性破れの分析を行う。
• モアレスケール有効場理論を適用して、ネマチック秩序の発現的性質を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非整数充填状態におけるねじれ二重バイレイヤー石墨烯における観測された三重回転対称性（C3）対称性破れの原因は何か？
• RQ2 C3対称性破れは、ヘテロ歪みや電界シフトといった構造的要因に起因するのか、それとも電子的起源であるのか？
• RQ3 ネマチック秩序は整数充填でのみ現れるのか、それともフラットバンド領域における非整数充填でも持続するのか？
• RQ4 ネマチック不安定性は原子スケールに局在しているのか、それともモアレスーパーラティススケールでの発現的現象なのか？
• RQ5 tDBGにおけるネマチック相は、フラットバンドモアレ材料の普遍的特徴と見なせるか？

主な発見

• C3対称性破れは、フラットバンドのエネルギー窓に強く局在しており、遠方バンドでは観測されない。これはバンド特異的不安定性を示唆する。
• 観測された対称性破れは、ヘテロ歪みや電界シフトでは説明できず、構造的起源を除外できる。
• ネマチック秩序は非整数充填状態でも発現しており、これはMott絶縁体現象ではないことを示す。
• ネマチック不安定性は、局所的グラフェン格子に依存せず、モアレ長スケールでのみ発現的現象として現れる。
• 理論的モデリングにより、ネマチック相が相互作用駆動であり、フラットバンドモアレ材料全体に普遍的であることが確認された。
• 本研究により、普遍的モアレネマチック相が、ねじれ炭素系系における頑健な相関駆動状態として確立された。