[논문 리뷰] Angle-resolved transport nonreciprocity and spontaneous symmetry breaking in twisted trilayer graphene

Naiyuan James Zhang, Jiangxiazi Lin외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 26.

Graphene research and applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 비틀어진 삼중층 그래핀(twisted trilayer graphene, tTLG)에서 자발적 대칭성 붕괴를 탐지하기 위해 각도 분해 운반 비상호성 측정을 도입한다. 이는 열적 및 전류 비bias 조건에서 거울축의 히스테리시스적 회전을 드러내며, 핵심 발견은 비상호성 발생 시점이 궤도 자성의 발생과 정확히 일치한다는 것이다. 이는 운동량 공간에서 교환 상호작용에 의해 유도되는 불안정성에 의해 회전 대칭성과 시간역전 대칭성 붕괴가 직접 연결됨을 규명한다.

ABSTRACT

The ability to identify and characterize spontaneous symmetry breaking is central to our understanding of 2D materials with strong correlation, such as the moiré flat bands in magic-angle twisted graphene bilayer and trilayer. In this work, we utilize angle-resolved measurements of transport nonreciprocity to investigate spontaneous symmetry breaking in twisted trilayer graphene. By analyzing the angular dependence of nonreciprocity in both longitudinal and transverse channels, we are able to identify the symmetry axis associated with the underlying electronic order. We report that a hysteretic rotation in the mirror axis can be induced by thermal cycles and a large current bias, which offers unambiguous evidence for the spontaneous breaking of rotational symmetry. Moreover, the onset of nonreciprocity with decreasing temperature coincides with the emergence of orbital ferromagnetism. Combined with the angular dependence of the superconducting diode effect, our findings uncover a direct link between rotational and time-reversal symmetry breaking. These symmetry requirements point towards the exchange-driven instabilities in the momentum space as a possible origin for transport nonreciprocity in tTLG.

연구 동기 및 목표

• 각도 분해 운반 측정을 통해 강한 상관관계를 가지는 비틀어진 삼중층 그래핀(tTLG)에서 자발적 대칭성 붕괴를 규명하고 특성화한다.
• 비상호성 운반 반응의 각도 의존성 분석을 통해 기저 전자 순서의 대칭축을 규명한다.
• tTLG에서 비상호성, 궤도 자성, 초전도 다이오드 효과 간의 상호작용을 조사한다.
• 운동량 공간에서의 불안정성에 의해 회전 대칭성과 시간역전 대칭성이 붕괴되는 과정에서의 교환 상호작용의 역할을 탐구한다.
• 각도 및 온도 의존 측정을 통해 운반 비상호성과 루프 전류 상태의 발생 간 직접적인 연관성을 확립한다.

제안 방법

• 비상호성 응답을 추출하기 위해 2차 고조파 검출 기술(V²ω)을 활용한 각도 분해 비선형 운반 측정을 수행하였다.
• 전체 각도 범위의 운반 반응 측정을 가능하게 하기 위해 45° 간격으로 배열된 4개의 접점이 있는 '해바라기' 모양의 tTLG 장치를 사용하였다.
• 20 mK에서 자외선이 없는 조건과 교류 전류 비bias(100 nA)를 적용하여 고유의 비상호성 효과를 분리하였다.
• 종방향(R∥) 및 횡방향(R⊥) 저항 성분의 각도 의존성을 맵핑하여 거울축 대칭성을 규명하였다.
• 열 사이클과 큰 직류 전류 비bias를 적용하여 거울축 방향의 히스테리시스 행동을 탐구하였다.
• 비상호성과 모리 밴드 충전도(ν) 및 온도 간의 상관관계를 분석하여 상전이 및 대칭성 붕괴 순서를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 tTLG에서 운반 비상호성의 각도 의존성은 어떻게 되며, 이는 기저 전자 순서의 대칭성을 어떻게 드러내는가?
• RQ2 열 사이클과 전류 비bias 조건에서 거울축 방향은 어떻게 변화하며, 이는 붕괴된 대칭성 상태의 성격을 어떻게 시사하는가?
• RQ3 비상호성이 발생하는 모리 밴드 충전도는 어느 수준이며, 궤도 자성의 발생과 어떻게 상관되는가?
• RQ4 각도 및 대칭 제약 조건을 고려할 때, 비상호성과 초전도 다이오드 효과 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 관측된 비상호성 응답의 기원은 무엇인가? 특히 운동량 공간에서의 교환 상호작용이 원인인가?

주요 결과

• tTLG에서의 비상호성은 1중 또는 3중 각도 의존성을 보이며, 각각 단일 또는 다중 거울축 존재를 시사한다.
• 열 사이클과 큰 전류 비bias 조건에서 거울축의 히스테리시스적 회전이 관측되어, 자발적 회전 대칭성 붕괴에 대한 명확한 증거를 제공한다.
• 저온에서 비상호성이 발생하는 시점이 정확히 궤도 자성의 발생 시점과 일치하며, 이는 밴드 충전도 ν ≈ 2.15 및 ν ≈ -2.4에서 확인된다.
• 온도 의존 측정 결과, 비상호성이 5 K 이하에서, 어떤 각도 의존성(1중 또는 3중 대칭)이든 관계없이 나타난다.
• 초전도 다이오드 효과의 각도 의존성이 비상호성 패tern과 정확히 일치하여, 시간역전 대칭성과 회전 대칭성 붕괴의 공통 기원을 시사한다.
• 관측된 비상호성은 정수 모리 밴드 충전도 근처에서 가장 강하며, 이는 피어미 표면 재구성의 계단식 과정이 불안정성을 유도함을 시사한다.