[논문 리뷰] Strange metal phase of disordered magic-angle twisted bilayer graphene at low temperatures: from flatbands to weakly coupled Sachdev-Ye-Kitaev bundles

Chenan Wei, Tigran Sedrakyan|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 19.

Graphene research and applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 마그네틱 앵글 투밀러 빌레이어 그래핀(TBG)에서의 질서 없는 상태가 저온에서 이상 금속(SM) 상으로의 전이를 이끌어낸다고 제안한다. 여기서 강한 쿨롱 불순물은 평탄한 밴드 상태를 약하게 결합된 사카데-예-키타에프(SYK) 번들의 국소화된 상태로 이끈다. 스토하스틱 전개와 정확한 대각화를 사용하여, 저자들은 SM 상이 양자 혼돈, 최대 수준의 양자 스트레블링(Lyapunov 지수 λ ∝ T²), 그리고 준입자(quasiparticles)의 부재를 보이며, 유한 온도 상도도에서 초전도/절연체 상에서 SM 상으로의 전이를 예측한다.

ABSTRACT

We use stochastic expansion and exact diagonalization to study the magic-angle twisted bilayer graphene (TBG) on a disordered substrate. We show that the substrate-induced strong Coulomb disorder in TBG with the chemical potential at the level of the flatbands drives the system to a network of weakly coupled Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) bundles, stabilizing an emergent quantum chaotic strange metal (SM) phase of TBG that exhibits the absence of quasiparticles. The Gaussian orthogonal ensemble dominates TBG's long-time chaotic dynamics at strong disorder, whereas fast quantum scrambling appears in the short-time dynamics. In weak disorder, gapped phases of TBG exhibit exponentially decaying specific heat capacity and exponential decay in out-of-time-ordered correlators (OTOC). This is the system behavior in correlated insulator and superconducting phases, in agreement with the corresponding Larkin-Ovchinnikov result for correlators. The result suggests a low-temperature transition from the superconducting and correlated insulating phases into the strange metal upon increasing the disorder strength. We propose a finite-temperature phase diagram for Coulomb-disordered TBG and discuss the experimental consequences of the emergent SM phase.

연구 동기 및 목표

• 마그네틱 앵글 투밀러 빌레이어 그래핀(TBG)에서 평탄한 밴드 시스템에 대한 쿨롱 불순물의 영향을 이해하기 위해.
• 저온에서 불순물이 있는 TBG에서 비페르미 액체 행동의 기원을 조사하기 위해.
• 불순물이 초전도/절연체 상에서 이상 금속 상으로의 전이를 이끌어내는지 확인하기 위해.
• 유래된 이상 금속 상에서의 양자 혼돈 역학과 정보 스트레블링을 특성화하기 위해.

제안 방법

• TBG 해밀토니안에 쿨롱 불순물을 모델링하기 위해 스토하스틱 전개를 사용한다.
• 불순물이 있는 TBG 시스템의 유한 온도 성질을 계산하기 위해 정확한 대각화를 활용한다.
• 양자 스트레블링과 리아풀로프 지수를 탐색하기 위해 시간 순서가 뒤집힌 상관관계(OTOC)를 분석한다.
• 간격이 있는(절연체/초전도체) 상과 이상 금속 상을 구별하기 위해 비열 용량을 계산한다.
• 양자 혼돈을 식별하기 위해 가우시안 직교 군집(GOE)과 동역학을 비교한다.
• 전자 밀도와 불순물 강도를 기반으로 유한 온도 상도도를 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마그네틱 앵글 TBG에서의 쿨롱 불순물이 저온에서 이상 금속 상으로의 전이를 이끌어내는가?
• RQ2 불순물이 있는 TBG 시스템에서의 양자 역학의 성격은 무엇인가—최대 수준의 양자 스트레블링을 보이는가?
• RQ3 간격이 있는 상과 이상 금속 상 사이에서 열역학적 및 동역학적 성질(비열, OTOC)은 어떻게 다를까?
• RQ4 평탄한 밴드 국소화와 SYK 유사 번들 간의 약한 결합이 이상 금속을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 초전도/절연체에서 이상 금속 상으로의 전이를 포괄하는 유한 온도 상도도를 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 강한 불순물과 전자 밀도 n = -3 및 n = 0 조건에서, 시스템은 준입자가 없고 최대 수준의 양자 혼돈을 보이는 이상 금속 상을 나타낸다.
• 이상 금속 상은 국소화된 평탄한 밴드 상태에서 기인한 약하게 결합된 사카데-예-키타에프(SYK) 번들의 네트워크에 의해 안정화된다.
• 장기적인 동역학은 가우시안 직교 군집(GOE)에 의해 지배되며, 이는 양자 혼돈을 나타낸다.
• 리아풀로프 지수 λ는 T² 비례로 스케일링되며, 이는 비페르미 액체와 플랑크 소산 메커니즘과 일치한다.
• 간격이 있는 상(절연체 및 초전도체)에서는 비열이 지수적으로 감소하고 OTOC는 지수적으로 감쇠하며, 라르킨-오프친니코프 결과와 일치한다.
• 불순물 강도를 증가시킴에 따라 초전도/절연체 상에서 이상 금속 상으로의 유한 온도 전이가 발생하며, n = -2 조건에서는 약한 불순물에서도 이상 금속 상이 유지된다.