[논문 리뷰] Electron interactions in strain-induced zero-energy flat band in twisted bilayer graphene near the magic angle

Yü Zhang, Zhe Hou외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 24.

Graphene research and applications참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 마법의 각도 근처에서 비스스러운 이중층 그래핀의 이종변형이 두 개의 반 호프 스инг규러리티 사이에 영 에너지 평탄한 밴드를 유도함을 보여준다. 전자 상호작용을 통해 평탄한 밴드에 10 meV의 상관관계에 기인한 갭이 열리며, 수직 자기장에 대해 큰 선형 반응을 보이며, 약 15 μB의 잠재적 궤도 자화모멘트가 나타남을 시사한다. 이는 모리에 수반된 초세포당 약 15 μB의 잠재적 궤도 자화모멘트를 나타낸다.

ABSTRACT

In the vicinity of the magic angle in twisted bilayer graphene (TBG), the two low-energy van Hove singularities (VHSs) become exceedingly narrow1-10 and many exotic correlated states, such as superconductivity, ferromagnetism, and topological phases, are observed11-16. Heterostrain, which is almost unavoidable in the TBG, can modify its single-particle band structure and lead to novel properties of the TBG that have never been considered so far. Here, we show that heterostrain in a TBG near the magic angle generates a new zero-energy flat band between the two VHSs. Doping the TBG to partially fill the zero-energy flat band, we observe a correlation-induced gap of about 10 meV that splits the flat band. By applying perpendicular magnetic fields, a large and linear response of the gap to magnetic fields is observed, attributing to the emergence of large orbital magnetic moments in the TBG when valley degeneracy of the flat band is lifted by electron-electron interactions. The orbital magnetic moment per moire supercell is measured as about 15 uB in the TBG.

연구 동기 및 목표

• 마법의 각도 근처에서 이종변형이 비스스러운 이중층 그래핀의 전자 구조에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 응력이 가해진 TBG에서 영 에너지 근처의 평탄한 밴드에 전자-전자 상호작용이 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 밸런스된 밸런스가 없는 밸런스 상태에서 큰 궤도 자화모멘트가 어떻게 나타나는지 이해하기 위해.
• 외부 자기장에 대한 상관관계 갭의 반응을 측정하기 위해.
• 응력이 가해지고 상관관계가 있는 TBG 시스템에서 모리에 초세포당 궤도 자화모멘트를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 마법의 각도 근처에서 비스스러운 이중층 그래핀에 이종변형을 적용하여 두 반 호프 스инг규러리티 사이에 새로운 영 에너지 평탄한 밴드를 설계하기 위해.
• 평탄한 밴드를 부분적으로 채우기 위해 도핑하여 상관관계 효과를 탐색하기 위해.
• 운반 및 스펙트로스코픽 기법을 사용하여 상관관계에 기인한 갭을 측정하기 위해.
• 수직 자기장을 적용하여 갭 상태의 자기적 반응을 탐색하기 위해.
• 갭의 선형 자기장 의존성을 분석하여 큰 궤도 자화모멘트 존재를 추론하기 위해.
• 모리에 초세포당 궤도 자화모멘트를 계산하고 측정하여 약 15 μB의 값을 도출하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이종변형은 마법의 각도 근처에서 비스스러운 이중층 그래핀의 전자 밴드 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 응력 하에서 영 에너지 평탄한 밴드에 갭 형성이 이루어질 때 전자-전자 상호작용은 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 수직 자기장을 적용했을 때 상관관계 갭에 측정 가능한 반응이 나타나는가? 그리고 이는 시스템의 자기적 성질에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 응력이 가해지고 상관관계가 있는 TBG 시스템에서 모리에 초세포당 궤도 자화모멘트의 크기는 얼마인가?
• RQ5 전자 상호작용에 의해 봉쇄된 밸런스의 비대칭성이 평탄한 밴드의 자기적 반응에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이종변형은 마법의 각도 근처에서 비스스러운 이중층 그래핀에 두 반 호프 스инг규러리티 사이에 새로운 영 에너지 평탄한 밴드를 유도한다.
• 평탄한 밴드가 부분적으로 채워지면서 약 10 meV의 상관관계에 기인한 갭이 열리며, 이는 강한 전자-전자 상호작용을 시사한다.
• 갭은 적용된 수직 자기장에 대해 큰 선형 반응을 보이며, 강한 자기적 결합을 나타낸다.
• 관측된 자기적 반응은 시스템 내에서 큰 궤도 자화모멘트의 존재에 기인한 것으로 기인한다.
• 모리에 초세포당 궤도 자화모멘트는 약 15 μB로 측정되었다.
• 갭의 자기장 의존성에 의해 전자 상호작용에 의해 봉쇄된 밸런스의 비대칭성이 확인되었다.