[논문 리뷰] Excess entropy and breakdown of semiclassical description of thermoelectricity in twisted bilayer graphene close to half filling

Bhaskar Ghawri, Phanibhusan S. Mahapatra외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 26.

Graphene research and applications참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 반고전적 Mott 관계가 θ ≈ 1.6°에서 반필링 근처의 비틀어진 이중층 그래핀(tBLG)에서 붕괴됨을 보고한다. 이는 10 K에서 S ≈ 2 μV/K의 과잉 열전기력과 near-Planckian 산란률을 가지는 T선형 저항도와 함께 증명된다. 이러한 결과는 tBLG 내부의 비 Fermi 액체 물리학을 시사하며, 마법의 각도에서 벗어나도 강한 상관 효과가 존재함을 나타낸다.

ABSTRACT

In moiré systems with twisted bilayer graphene (tBLG), the amplification of Coulomb correlation effects at low twist angles ($θ$) is a result of nearly flat low-energy electronic bands and divergent density of states (DOS) at van Hove singularities (vHS). This not only causes superconductivity, Mott insulating states, and quantum anomalous Hall effect close to the critical (or magic) angle $θ= θ_{c} \approx 1.1^\circ$, but also unconventional metallic states that are claimed to exhibit non-Fermi liquid (NFL) excitations. However, unlike superconductivity and the correlation-induced gap in the DOS, unambiguous signatures of NFL effects in the metallic state remain experimentally elusive. Here we report simultaneous measurement of electrical resistivity ($ρ$) and thermoelectric power ($S$) in tBLG at $θ\approx 1.6^\circ$. We observe an emergent violation of the semiclassical Mott relation in the form of excess $S$ close to half-filling. The excess $S$ ($\approx 2$ $μ$V/K at low temperature $T \sim 10$ K) persists up to $\approx 40$ K, and is accompanied by metallic $T$-linear $ρ$ with transport scattering rate ($τ^{-1}$) of near-Planckian magnitude $τ^{-1} \sim k_{B}T/\hbar$. The combination of non-trivial electrical transport and violation of Mott relation provides compelling evidence of NFL physics intrinsic to tBLG, at small twist angle and half-filling.

연구 동기 및 목표

• 반고전적 Mott 관계가 반필링 근처 및 작은 비틀기 각도에서 tBLG에 적용 가능한지 조사하기 위해.
• 마법의 각도 θc ≈ 1.1°에서 벗어난 θ ≈ 1.6°에서 tBLG 내 전자 상관관계의 역할을 조사하기 위해.
• 관측된 운반 이상 현상—T선형 저항도 및 과잉 열전기력—이 비 Fermi 액체(NFL) 물리학을 나타내는지 확인하기 위해.
• 금속성 tBLG에서 준입자 지배 운반과 상관관계 기반 NFL 행동을 구분하기 위해.
• 동시 전기 및 열전기 측정을 통해 tBLG에서 NFL 진동자를 실험적으로 입증하기 위해.

제안 방법

• 10 K까지의 온도에서 냉각기 및 1.5-K 냉각기에서 동시에 4단자 전기 저항도(ρ) 및 열전기력(S) 측정을 수행하였다.
• 17 Hz에서의 국소적 줄열 가열을 통해 tBLG 채널에 온도 기울기 ΔT를 생성하고, 두 번째 고조파 열전압(V2ω)을 측정하여 S를 추출하였다.
• 반고전적 공식을 사용하여 Mott 관계를 시험하였다: S_Mott = (π²k_B²T / 3|e|) × (d ln R/dE)|_E_F, 탄성 및 등방성 산란를 가정하였다.
• θ = 1.6°에서 전자 밴드 및 밀도 상태(DOS)를 모델링하기 위해 밴드 구조 계산을 수행하였으며, LAMMPS 및 REBO/DRIP 임의를 사용하여 회복를 적용하였다.
• 정렬된 국소 Green 함수와 수정된 다오비탈 IPT 임의 해법기를 사용한, 육각 격자 위의 4오비탈 Hubbard 모델을 사용한 동적 평균장 이론(DMFT)을 적용하여 열전력도를 계산하였다.
• DMFT 열전력도 계산에 사용하기 위해 타이트버드 밴드 구조에서 운반 밀도 상태(DOS)를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 θ ≈ 1.6°에서 tBLG의 열전기력은 반필링 근처에서 반고전적 Mott 관계에서 벗어나는가?
• RQ2 근접한 Planckian 산란률(τ⁻¹ ~ k_BT/ħ)을 가지는 T선형 저항도는 준입자 운반과 일치하는가, 아니면 비 Fermi 액체 행동을 시사하는가?
• RQ3 과잉 열전기력(S > S_Mott)은 불순물 또는 산란 이방성보다 강한 전자 상관관계에 기인한 것인가?
• RQ4 마법의 각도(θ > 1.1°)보다 훨씬 큰 비틀기 각도에서 상관 효과가 tBLG에 얼마나 오래 지속되는가?
• RQ5 van Hove 특이점과 평탄한 밴드는 초전도성 없이도 금속성 tBLG에서 NFL 물리학을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 반필링(ν = ±2) 근처에서 10 K에서 약 2 μV/K의 과잉 열전기력이 관측되었으며, 이는 약 40 K까지 지속되어 반고전적 Mott 관계의 붕괴를 시사한다.
• 전기 저항도는 τ⁻¹ ~ k_BT/ħ와 같은 Planckian 산란률을 가지며 T선형 행동을 보였으며, 이는 준입자 기술의 붕괴와 일치한다.
• T선형 저항도와 과잉 S의 조합은 tBLG에서 θ ≈ 1.6°에서 비 Fermi 액체(NFL) 물리학의 강력한 증거를 제공한다. 이는 마법의 각도에서 벗어난 상태에서도 성립한다.
• 관측된 열전기 및 운반 이질현상은 불순물 또는 이방성 산란으로 인한 것이 아니며, 등방성 산란를 가정한 상황에서도 Mott 관계 위반이 지속됨을 확인하였다.
• 4오비탈 Hubbard 모델을 사용한 DMFT 계산은 과잉 S를 성공적으로 재현하였으며, 강한 전자 상관관계가 NFL 행동을 이끄는 데 기여함을 확인하였다.
• 결과적으로, 초전도성 또는 Mott 갭이 없더라도 tBLG에서 준입자 기술의 붕괴는 작은 비틀기 각도에서 시스템 내재적인 특성임을 시사한다.