[論文レビュー] Chern Insulators and Topological Flat-bands in Magic-angle Twisted Bilayer Graphene

Shuang Wu, Zhang, Zhenyuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Graphene research and applications被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、輸送測定を用いて魔法の角度でねじれた二層グラフェン（MA-TBG）における位相的フラットバンドおよびチェーン絶縁体を調査した。ドーピング誘発のリフシッツ遷移およびヴァン・ホーブ特異性が、相関誘発ギャップを引き起こし、1、2、3の充填状態で量子化されたホールプラトーを生じさせ、それぞれのチェーン数+1、+2、+3を有するチェーン絶縁体状態を確認した。5Tを超える磁場下で3.5充填状態に見られる驚くべきヴァン・ホーブ特異性は、分数チェーン絶縁体相の可能性を示唆している。

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (MA-TBG) exhibits intriguing quantum phase transitions triggered by enhanced electron-electron interactions when its flat-bands are partially filled. However, the phases themselves and their connection to the putative non-trivial topology of the flat bands are largely unexplored. Here we report transport measurements revealing a succession of doping-induced Lifshitz transitions that are accompanied by van Hove singularities (VHS) which facilitate the emergence of correlation-induced gaps and topologically non-trivial sub-bands. In the presence of a magnetic field, well quantized Hall plateaus at filling of 1, 2, 3 carriers per moiré-cell reveal the sub-band topology and signal the emergence of Chern insulators with Chern-numbers, ! = !, !, !, respectively. Surprisingly, for magnetic fields exceeding 5T we observe a VHS at a filling of 3.5, suggesting the possibility of a fractional Chern insulator. This VHS is accompanied by a crossover from low-temperature metallic, to high-temperature insulating behavior, characteristic of entropically driven Pomeranchuk-like transitions,

研究の動機と目的

• 魔法の角度でねじれた二層グラフェン（MA-TBG）におけるフラットバンドの位相的性質が部分的に充填されている場合の解明。
• 電子-電子相互作用およびヴァン・ホーブ特異性が相関誘発ギャップを駆動する役割を調査すること。
• 磁場下での発生する準位の位相的不変量（チェーン数）を特定すること。
• 高磁場下での輸送挙動を通じて、分数チェーン絶縁体状態の可能性を検討すること。
• リフシッツ遷移、ヴァン・ホーブ特異性、金属-絶縁体遷移の間の相乗的相互作用を理解すること。

提案手法

• スパゲッティ状に支持された魔法の角度でねじれた二層グラフェンデバイスを用いて、低温度での輸送測定を実施した。
• ランダウ準位の量子化およびホール応答を調べるために、最大9Tまでの磁場を適用した。
• ゲート電圧を調整してキャリア密度を制御することで、ドーピング依存の相図をマッピングした。
• 微分コンダクタンスおよびホール抵抗の異常を通じてヴァン・ホーブ特異性を同定した。
• モアレユニットセルあたりの整数充填状態（1、2、3）におけるホールプラトーの進化を分析し、チェーン数を推定した。
• 3.5充填状態で、低温では金属的挙動、高温では絶縁体的挙動に遷移する現象を観測し、エントロピー効果を示唆した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 魔法の角度でねじれた二層グラフェンにおけるフラットバンドが部分的に充填されている場合の位相的性質は何か？
• RQ2 特定のキャリア充填状態におけるヴァン・ホーブ特異性が、相関誘発ギャップの出現にどのように寄与するか？
• RQ3 整数充填状態における量子化されたホールプラトーは、量子化されたチェーン数を有するチェーン絶縁体の形成を示唆するか？
• RQ4 高磁場下で3.5充填状態に分数チェーン絶縁体相の証拠があるか？
• RQ5 3.5充填状態における観察された金属-絶縁体遷移は何かが駆動しており、エントロピー効果とどのように関係しているか？

主な発見

• モアレユニットセルあたり1、2、3の充填状態における量子化されたホールプラトーは、それぞれチェーン数+1、+2、+3を有するチェーン絶縁体の形成を確認した。
• 特定のドーピングレベルにおけるヴァン・ホーブ特異性が、フラットバンドにおける相関誘発ギャップの開口を促進した。
• 5Tを超える磁場下で、モアレユニットセルあたり3.5キャリアの充填状態にヴァン・ホーブ特異性が観測された。
• 3.5充填状態では、低温では金属的挙動、高温では絶縁体的挙動に遷移する現象を示し、エントロピー駆動のポメランチュク的遷移に類似した特徴を示した。
• 明確なホールプラトーの出現およびヴァン・ホーブ特異性の存在は、分数チェーン絶縁体相の可能性を強く示唆している。
• 輸送データは、ドーピング誘発のリフシッツ遷移がフェルミ面トポロジーの進化に関連していることを示した。