[논문 리뷰] Universal moiré nematic phase in twisted graphitic systems

Carmen Rubio-Verdú, Simon Turkel외 13명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 24.

Graphene research and applications참고 문헌 11인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여 비틀어진 더블 빌레이어 그래핀에서 보편적인 모리에 네마틱 상을 규명하였으며, 전자-전자 상호작용으로 인해 평탄한 밴드 내에서만 C3 대칭성 붕괴가 발생함을 밝혀냈다. 네마틱 순서는 정수 배충 이외의 조건에서도 나타나며, 원자 격자가 아닌 모리에 스케일에서 기인한 잠재적 현상으로, 평탄한 밴드 모리에 물질에서의 보편적인 불안정성을 시사한다.

ABSTRACT

Graphene moiré superlattices display electronic flat bands. At integer fillings of these flat bands, energy gaps due to strong electron-electron interactions are generally observed. However, the presence of other correlation-driven phases in twisted graphitic systems at non-integer fillings is unclear. Here, we report scanning tunneling microscopy (STM) measurements that reveal the existence of threefold rotational (C3) symmetry breaking in twisted double bilayer graphene (tDBG). Using spectroscopic imaging over large and uniform areas to characterize the direction and degree of C3 symmetry breaking, we find it to be prominent only at energies corresponding to the flat bands and nearly absent in the remote bands. We demonstrate that the C3 symmetry breaking cannot be explained by heterostrain or the displacement field, and is instead a manifestation of an interaction-driven electronic nematic phase, which emerges even away from integer fillings. Comparing our experimental data with a combination of microscopic and phenomenological modeling, we show that the nematic instability is not associated with the local scale of the graphene lattice, but is an emergent phenomenon at the scale of the moiré lattice, pointing to the universal character of this ordered state in flat band moiré materials.

연구 동기 및 목표

• 평탄한 밴드의 정수 배충을 초월한 상호작용 유도 전자 상을 연구하기 위해.
• 비틀어진 더블 빌레이어 그래핀(tDBG)에서 관측된 삼중 회전 대칭(C3) 붕괴의 기원을 규명하기 위해.
• 응력, 이격 전하장, 전자-전자 상호작용 중 어느 것이 대칭성 붕괴의 원인인지를 구분하기 위해.
• 네마틱 순서가 모리에 스케일에서 기인한 잠재적 현상인지 아니면 국소적 원자 격조에 묶인 것인지 확인하기 위해.
• 실험적 및 이론적 분석을 통합하여 평탄한 밴드 모리에 물질에서 네마틱 상의 보편성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 공간적 및 에너지 의존적인 C3 대칭성 붕괴를 맵핑하기 위해 대규모이고 균일한 영역에서 스펙트로스코픽 영상과 함께 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 수행함.
• 모리에 수반구조에서 국소적 전자 구조를 측정하여 원거리 밴드에서의 기여를 평탄한 밴드의 영향과 분리함.
• 실험 데이터를 미세한 이론 모델과 현상학적 모델과 비교하여 응력과 이격 전하장이 대칭성 붕괴의 원인이 아님을 배제함.
• many-body 이론 모델링을 통해 네마틱 불안정성의 상호작용 기반 기원을 규명함.
• 전자 배충이 다른 조건에서 대칭성 붕괴에 미치는 영향을 분석하여 실수 밀도 의존성 평가함.
• 모리에 스케일의 효과적 장 이론을 적용하여 네마틱 순서의 잠재적 성격을 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정수 배충 조건에서 비틀어진 더블 빌레이어 그래핀(tDBG)에서 관측된 삼중 회전 대칭(C3) 붕괴의 원인은 무엇인가?
• RQ2 C3 대칭성 붕괴는 이종응력 또는 이격 전하장과 같은 구조적 요인에 기인한 것인지, 아니면 전자적 기원을 가진 것인가?
• RQ3 네마틱 순서는 정수 배충에서만 나타나는가, 아니면 평탄한 밴드 영역에서 비정수 배충 조건에서도 유지되는가?
• RQ4 네마틱 불안정성은 원자 스케일에서 국소화되어 있는가, 아니면 모리에 수반구조 스케일에서 기인한 잠재적 현상인가?
• RQ5 tDBG에서의 네마틱 상은 평탄한 밴드 모리에 물질의 보편적 특성로 간주될 수 있는가?

주요 결과

• C3 대칭성 붕괴는 평탄한 밴드의 에너지 창문에 강하게 국소화되어 있으며 원거리 밴드에서는 관찰되지 않아, 밴드 특화된 불안정성을 시사한다.
• 관측된 대칭성 붕괴는 이종응력 또는 이격 전하장으로서 설명될 수 없으며, 이는 기하학적 기원을 배제함.
• 네마틱 순서는 비정수 배충 조건에서도 나타나며, 이는 Mott 절연체 현상이 아니라는 것을 입증한다.
• 네마틱 불안정성은 국소적 그래핀 격자에 묶이지 않고 모리에 길이 스케일에서 기인한 잠재적 현상임을 확인함.
• 이론 모델링을 통해 네마틱 상이 상호작용에 의해 유도되며, 평탄한 밴드 모리에 물질 전반에 걸쳐 보편적임을 확인함.
• 결과적으로, 보편적인 모리에 네마틱 상이 비틀어진 그래픽스 시스템에서 강력한 상호작용 기반 상태로 확립됨.