[논문 리뷰] Tracing out Correlated Chern Insulators in Magic Angle Twisted Bilayer Graphene

Youngjoon Choi, Hyunjin Kim외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 26.

Graphene research and applications인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 유한한 자기장 하에서 마법의 각도로 얽힌 이중층 그래핀(MATBG)의 위상적 상을 스캐닝 턨널링 현미경(STM)을 사용해 맵핑하며, 정수 채움에서 유래하는 여섯 가지의 구분 가능한 초전도체 상태를 밝혀냈다. 국소 상태 밀도(LDOS)를 추적하고 랑주 팬도를 구성함으로써 저자들은 초전도수를 직접 할당하고, 비틀기 각도와 전자 밀도에 민감한 강한 상호작용 유도의 대칭성 깨짐 전이를 밝혀냈다.

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) exhibits a range of correlated phenomena that originate from strong electron-electron interactions. These interactions make the Fermi surface highly susceptible to reconstruction when $ \\pm 1, \\pm 2, \\pm 3$ electrons occupy each moir\\' e unit cell and lead to the formation of correlated insulating, superconducting and ferromagnetic phases. While some phases have been shown to carry a non-zero Chern number, the local microscopic properties and topological character of many other phases remain elusive. Here we introduce a set of novel techniques hinging on scanning tunneling microscopy (STM) to map out topological phases in MATBG that emerge in finite magnetic field. By following the evolution of the local density of states (LDOS) at the Fermi level with electrostatic doping and magnetic field, we visualize a local Landau fan diagram that enables us to directly assign Chern numbers to all observed phases. We uncover the existence of six topological phases emanating from integer fillings in finite fields and whose origin relates to a cascade of symmetry-breaking transitions driven by correlations. The spatially resolved and electron-density-tuned LDOS maps further reveal that these topological phases can form only in a small range of twist angles around the magic-angle value. Both the microscopic origin and extreme sensitivity to twist angle differentiate these topological phases from the Landau levels observed near charge neutrality. Moreover, we observe that even the charge-neutrality Landau spectrum taken at low fields is considerably modified by interactions and exhibits an unexpected splitting between zero Landau levels that can be as large as ${\\sim }\\,3-5$ meV. Our results show how strong electronic interactions affect the band structure of MATBG and lead to the formation of correlation-enabled topological phases.

연구 동기 및 목표

• 유한한 자기장 하에서 마법의 각도로 얽힌 이중층 그래핀(MATBG)의 위상적 상을 규명하고 특성화하는 것.
• MATBG에서 상호작용에 기인한 절연상의 미세 구조적 기원과 위상적 불변량(초전도수)을 규명하는 것.
• 전자-전자 상호작용과 비틀기 각도에 대한 민감성의 위상적 상을 안정화시키는 역할을 조사하는 것.
• 전하 중성 근처의 밴드 구조와 랑주 준위 스펙트럼을 해명하고, 전자-정공 비대칭성과 비정상적인 에너지 분리의 기원을 밝히는 것.
• 모리 재료에서 상호작용에 기인한 위상적 질서를 탐사하기 위한 STM 기반 분광 기술을 개발하는 것.

제안 방법

• 저온 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하여 WSe2 기반재에 있는 MATBG의 국소 상태 밀도(LDOS)를 측정하는 것.
• 전기적 게이팅과 수직 자기장을 적용하여 전자 밀도를 조절하고 랑주 준위 형성 여부를 조사하는 것.
• 게이트 전압과 자기장에 따른 Fermi 수준에서의 LDOS 변화를 추적하여 국소 랑주 팬도를 구성하는 것.
• 공간적으로 해상도가 높은 LDOS 맵을 사용하여 특정 채움에서의 금속 상태와 상전이를 식별하는 것.
• 상부 이미지에서 AA-스택 구조의 정기성을 측정하여 비틀기 각도를 측정하고 위상적 상의 안정성과 연관시키는 것.
• 랑주 준위 간의 에너지 간격을 분석하여 디라크 속도와 상호작용 효과를 추론하고, 비상호작용 모델과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 자기장 하에서 MATBG의 상호작용에 기인한 절연상의 초전도수는 무엇인가?
• RQ2 전자-전자 상호작용은 대칭성 깨짐 전이를 어떻게 이끌어내어 위상적 질서를 유도하는가?
• RQ3 비틀기 각도 변화는 위상적 상의 안정화 또는 붕괴에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 전하 중성 근처의 랑주 준위는 왜 네 배의 degeneracy를 보이며, 비상호작용 모델과 일치하지 않는 큰 에너지 분리를 보이는가?
• RQ5 전하 중성 근처에서의 전자-정공 비대칭성과 상호작용에 의해 유도된 영점 랑주 준위의 분리는 MATBG의 평탄한 밴드 물리에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유한한 자기장 하에서 정수 채움(ν = ±1, ±2, ±3)에서 여섯 가지의 명확히 구분되는 위상적 상이 나타나며, 각각 잘 정의된 초전도수를 가진다.
• 초전도체 상태는 상호작용에 기인한 대칭성 깨짐 전이에 의해 안정화되며, 비틀기 각도에 매우 민감하며, 전자 밴드와 정공 밴드 간의 마법의 각도 조건이 다를 수 있다.
• LDOS 맵에서 구성한 랑주 팬도를 통해 관측된 상들에 대한 초전도수를 직접 할당할 수 있었으며, 이는 그들의 위상적 성질을 확인하는 데 기여했다.
• 영점 랑주 준위의 분리는 최대 약 ∼3–5 meV에 이르며, 전하 중성 근처에서 강한 전자-정공 비대칭성과 상호작용 효과를 시사한다.
• 측정된 디라크 속도는 약 1.5–2×10⁵ m/s로, 비상호작용 연속체 모델 예측보다 약 10배 정도 크며, 강한 상호작용을 시사한다.
• 전하 중성에서 벗어나 도핑함에 따라 랑주 준위 간격은 거의 일정하게 유지되며, 평탄한 밴드 내에서 산란성 풍선의 왜곡이 최소임을 시사한다.