[논문 리뷰] Evidence of heavy fermion physics in the thermoelectric transport of magic angle twisted bilayer graphene

Rafael Luque Merino, Dumitru Călugăru외 8명|arXiv (Cornell University)|2024. 02. 19.

Graphene research and applicationsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 게이트 정의된 pn-접합에서의 광열전기(PTE) 측정을 통해 마법의 각도를 가진 이중층 그래핀(MATBG)에서 강한 상관성 시스템에서의 무거운 페르미온 물리학에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다. 저온에서, 전자 농도에 따라 변화하는 시브크 계수의 부호 유지형 진동은 구형 수준 조정 시에도 주로 한 종류의 실체가 지배하고 있음을 나타내며, 이는 페르미 수준 근처에 경량 및 무거운 전자 밴드가 공존하고 있음을 시사한다. 이는 위상적 무거운 페르미온 모형과 강한 정성적 일치를 보인다.

ABSTRACT

It has been recently postulated, that the strongly correlated flat bands of magicangle twisted bilayer graphene (MATBG) can host coexisting heavy and light carriers. While transport and spectroscopic measurements have shown hints of this behavior, a more direct experimental proof is still lacking. Here, we explore the thermoelectric response of MATBG through the photo-thermoelectric (PTE) effect in gate-defined MATBG pn-junctions. At low temperatures, we observe sign-preserving, fillingdependent oscillations of the Seebeck coefficient at non-zero integer fillings of the moiré lattice, which suggest the preponderance of one carrier type despite tuning the Fermi level from hole to electron doping of the correlated insulator. Furthermore, at higher temperatures, the thermoelectric response provides distinct evidence of the strong electron correlations in the unordered, normal state. We show that our observations are naturally accounted for by the interplay of light and long-lived and heavy and short-lived electron bands near the Fermi level at non-zero integer fillings. Our observations firmly establish the electron and hole asymmetry of the correlated gaps in MATBG, and shows excellent qualitative agreement with the recently developed topological heavy fermion model (THF).

연구 동기 및 목표

• 강한 상관성 시스템인 마법의 각도를 가진 이중층 그래핀(MATBG)에서 무거운 페르미온 물리학에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하는 것.
• 다양한 도핑 영역에서 MATBG 내 운반자의 성질을 조사하는 것.
• 상관성 절연 상태에서 페르미 수준 근처의 경량 및 무거운 전자 밴드 간의 상호작용을 탐구하는 것.
• MATBG의 정상 상태에서 위상적 무거운 페르미온(THF) 모형의 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• 게이트 정의된 MATBG pn-접합에서 광열전기(PTE) 효과 측정을 수행하였다.
• 게이트 전압과 온도에 따른 시브크 계수 측정을 통해 운반자 유형과 효과 질량을 탐구하였다.
• 저온 측정은 모이레 격자의 정수 채움 인자에서 열전 응답의 진동 행동을 탐지하기 위해 집중되었다.
• 고온 측정은 MATBG의 정상 상태를 탐구하여 강한 전자 상관성의 징후를 확인하기 위해 사용되었다.
• 실험 데이터를 해석하기 위해 위상적 무거운 페르미온(THF) 프레임워크 기반의 이론 모델링을 사용하였다.
• 홀 도핑에서 전자 도핑으로의 페르미 수준 조정을 통해 상관성 갭에서의 운반자 비대칭성의 체계적 연구가 가능했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비제로 정수 채움에서 MATBG의 페르미 수준 근처에 공존하는 경량 및 무거운 전자 밴드가 존재하는가?
• RQ2 상관성 절연체를 가로질러 페르미 수준을 조정함에도 불구하고, 운반자 유형이 지배적인 이유는 무엇인가?
• RQ3 열전 측정은 MATBG의 정상 상태에서 강한 전자 상관성에 대해 어떤 증거를 제공하는가?
• RQ4 실험 관측 결과는 위상적 무거운 페르미온(THF) 모형의 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 상관성 갭의 전자-홀 비대칭성은 열전 운반성질에 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 저온에서 부호 유지형, 채움에 의존하는 시브크 계수의 진동이 관측되었으며, 이는 페르미 수준을 상관성 절연체를 가로질러 조정함에도 불구하고 주로 한 종류의 운반자가 지배하고 있음을 시사한다.
• 진동 현상은 모이레 격자의 정수 채움 범위에서 지속되며, 경량 및 무거운 운반자 특성을 가진 강력하고 안정된 상관성 전자 구조를 시사한다.
• 고온에서 열전 응답은 MATBG의 정상 상태에서 강한 전자 상관성의 뚜렷한 징후를 보였다.
• 실험 데이터는 위상적 무거운 페르미온(THF) 모형의 예측과 뛰어난 정성적 일치를 보였다.
• 결과적으로 MATBG의 상관성 갭에서 전자-홀 비대칭성이 확고히 입증되었으며, 무거운 운반자가 운반 특성에서 핵심적인 역할을 한다.
• 페르미 수준 근처의 장수명 무거운 밴드와 단수명 경량 밴드 간의 상호작용이 관측된 열전 행동의 근본 원인으로 규명되었다.