[论文解读] Hierarchy of Symmetry Breaking Correlated Phases in Twisted Bilayer Graphene

Robert Polski, Yiran Zhang+9 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Graphene research and applications被引用 11

一句话总结

本研究在接近1.1°的扭转角范围内，绘制了扭曲双层石墨烯（TBG）中对称性破缺关联相的层级结构，揭示了超导性和高温对称性破缺转变的稳定性远超以往预期，甚至延伸至魔角之外。作者将这种鲁棒性归因于电子关联驱动的能带重构与贝里曲率重分布，而WSe₂封装则降低了扭转角无序性，增强了相的稳定性。

ABSTRACT

Twisted bilayer graphene (TBG) near the magic twist angle of $\sim1.1^{o}$ exhibits a rich phase diagram. However, the interplay between different phases and their dependence on twist angle is still elusive. Here, we explore the stability of various TBG phases and demonstrate that superconductivity near filling of two electrons per moiré unit cell alongside Fermi surface reconstructions, as well as entropy-driven high-temperature phase transitions and linear-in-T resistance occur over a range of twist angles which extends far beyond those exhibiting correlated insulating phases. In the vicinity of the magic angle, we also find a metallic phase that displays a hysteretic anomalous Hall effect and incipient Chern insulating behaviour. Such a metallic phase can be rationalized in terms of the interplay between interaction-driven deformations of TBG bands leading to Berry curvature redistribution and Fermi surface reconstruction. Our results provide an extensive perspective on the hierarchy of correlated phases in TBG as classified by their robustness against deviations from the magic angle or, equivalently, their electronic interaction requirements.

研究动机与目标

• 研究扭曲双层石墨烯（TBG）在接近魔角的多种扭转角下关联相的稳定性和演化特性。
• 确定电子关联作用与无序性在稳定TBG中超导相与对称性破缺相中的作用。
• 评估WSe₂封装对降低扭转角无序性并增强TBG器件中相相干性的效果。
• 基于对魔角偏离和关联强度的鲁棒性，绘制关联相的层级结构。
• 探讨魔角附近TBG中费米面重构、贝里曲率重分布与涌现拓扑行为之间的相互作用。

提出的方法

• 在扭转角范围为0.79°至1.23°的多个TBG器件上进行系统性输运测量，采用hBN封装的异质结构并辅以WSe₂顶盖层。
• 采用四端探针测量技术，通过多组接触对测量纵向电阻（Rxx）与霍尔电阻（Rxy），以检测相的均匀性及无序效应。
• 分析电阻峰、霍尔载流子浓度重置及朗道能级扇形图，以识别关联绝缘态、对称性破缺级联和超导转变。
• 利用电位移场（D）调控探测对称性破缺，并检验D无关的超导性，表明基底引起的不对称性极小。
• 将输运数据与能带重构、贝里曲率重分布及关联驱动费米面形变的理论模型进行对比。
• 结合STM数据与多组接触对间四端测量的一致性，量化器件均匀性，将观测特征与扭转角无序性相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在0.79°至1.23°的扭转角范围内，TBG中超导相与对称性破缺相的稳定性如何随扭转角变化？
• RQ2 高温对称性破缺转变与超导性在狭窄魔角区域之外能持续多远？
• RQ3 WSe₂封装如何降低扭转角无序性并增强TBG器件中关联相的鲁棒性？
• RQ4 电子关联驱动的能带重构与贝里曲率重分布在稳定具有异常霍尔效应的金属相中起何作用？
• RQ5 霍尔载流子浓度重置与电阻平台等输运特征如何与关联绝缘相及超导性相关联？

主要发现

• 在每摩尔超晶格单元ν = ±2个电子附近，超导性在宽广的扭转角范围（0.79°–1.23°）内持续存在，多个器件中临界温度（Tc）均超过1 K。
• 高温对称性破缺级联与费米面重构的观测范围远超关联绝缘相，后者仅局限于0.97°–1.15°范围内。
• 在魔角附近出现一种具有滞后异常霍尔效应及初生陈绝缘体行为的金属相，表明强关联效应与贝里曲率重分布。
• WSe₂封装将扭转角无序性降低至数百纳米至微米量级，经多组接触对间一致的四端测量及超导特征对D场的微弱依赖性得到验证。
• 在多组接触对间表现出均匀电阻与超导行为的器件，其整体扭转角偏差低于可检测极限，表明器件具有高度均匀性。
• 在空穴侧扭转角为1.04°至1.23°的器件中，可在特定填充因子（如ν = +2）处观察到霍尔载流子浓度重置与奇异性，明确指示风味对称性破缺。