[논문 리뷰] Tunable correlation-driven symmetry breaking in twisted double bilayer graphene

Minhao He, Yuhao Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 20.

Graphene research and applications참고 문헌 47인용 수 35

한 줄 요약

본 논문은 twisted double bilayer graphene에서 상관된 절연체에 인접한 상관 금속 상태가 자발적 대칭성 파괴를 겪고, 이 상태와 연관된 비저항 감소와 Hall 부호 변화가 나타나며, 비선형 수송은 주로 Joule 가열로 설명된다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

A variety of correlated phases have recently emerged in select twisted van der Waals (vdW) heterostructures owing to their flat electronic dispersions. In particular, heterostructures of twisted double bilayer graphene (tDBG) manifest electric field-tunable correlated insulating (CI) states at all quarter fillings of the conduction band, accompanied by nearby states featuring signatures suggestive of superconductivity. Here, we report electrical transport measurements of tDBG in which we elucidate the fundamental role of spontaneous symmetry breaking within its correlated phase diagram. We observe abrupt resistivity drops upon lowering the temperature in the correlated metallic phases neighboring the CI states, along with associated nonlinear $I$-$V$ characteristics. Despite qualitative similarities to superconductivity, concomitant reversals in the sign of the Hall coefficient instead point to spontaneous symmetry breaking as the origin of the abrupt resistivity drops, while Joule heating appears to underlie the nonlinear transport. Our results suggest that similar mechanisms are likely relevant across a broader class of semiconducting flat band vdW heterostructures.

연구 동기 및 목표

• tDBG의 상관관계가 플랫 밴드 위상도에서 대칭성 파괴를 어떻게 유도하는지 조사한다.
• 변위 전계와 캐리어 밀도가 상관 절연 상태와 근접한 금속 상태를 어떻게 조정하는지 규명한다.
• 수송, 홀 효과, 온도 의존성을 통해 대칭성 파괴의 징후를 식별한다.

제안 방법

• 그래파이트 게이트를 갖춘 BN으로 캡슐화된 듀얼게이티드 tDBG 소자를 제작한다.
• mK 온도에서 캐리어 밀도 n 및 변위 전계 D의 함수로 비저항과 홀 계수를 측정한다.
• 온도 의존성 ρ(T) 및 미분 저항 dV/dI를 분석하여 비선형성과 가능한 Joule 가열 여부를 확인한다.
• 일층 간 포텐셜 U의 함수로 밴드 구조와 DOS를 일반화된 Bistritzer-MacDonald 모델과 K-공간 Tight-binding 접근법을 사용해 계산한다.
• 홀 부호 변화를 추정된 축퇴 해제 및 대칭성 파괴 금속 영역과 연관 짓다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 tDBG의 상관 절연 상태는 변위 전계와 뒤틀림 각도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 상관 절연체에 인접한 금속 상태가 자발적 대칭성 파괴를 보이는가, 그리고 이를 수송 및 홀 측정으로 어떻게 탐지할 수 있는가?
• RQ3 관측된 비선형 수송 및 비저항 감소에서 온도와 Joule 가열의 역할은 무엇인가?
• RQ4 Hall 계수는 halo 영역에서 어떻게 진화하며 이것이 축퇴 해제에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• ν=2 상관 절연체 상태를 둘러싼 halo 영역 내에서 급격한 ρ(T) 감소가 나타나며, 이는 대칭성 파괴 금속 행동을 시사한다.
• 홀 계수 부호 변화가 절연 상태 및 halo 영역을 동반하며, 상관성에 의해 페르미 표면이 재구성된다는 것을 시사한다.
• halo 내의 비선형 I–V가 관찰되며, 전형적인 초전도 상태가 아니라 Joule 가열에 의해 주로 설명된다(명확한 임계전류는 없음).
• Halo 영역은 온도에 따라 변화하며, T가 증가함에 따라 R_H=0 컨투어가 ν=2 쪽으로 축소되어 온도 의존적 대칭성 파괴를 시사한다.
• ν=2 CI 상태의 에너지 간극은 변위 전계와 평면 내 자기장에 의존함을 보여주며, 제네만 효과를 넘어 오비탈 기여를 암시한다.
• 여러 비틀림 각도(1.17°–1.53°)에 걸쳐 halo 특징과 대칭성 파괴 금속 상태는 질적으로 강건하지만, 장치별 CI 강도는 다르게 나타난다.