[论文解读] Orbital Chern insulator domain walls and chiral modes in twisted bilayer graphene

Yves H. Kwan, Glenn Wagner+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2020

Graphene research and applications被引用 2

一句话总结

本文为非均匀莫尔超晶格系统建立了一个形式化理论，用于研究魔角扭曲双层石墨烯在填充因子u=+3时的手性畴壁，此时观察到量子化的反常霍尔效应。研究识别出两种类型的手性畴壁——谷保持型与谷翻转型，表明在均匀基底上谷翻转型畴壁更占优势，而谷保持型畴壁则由非均匀基底势所稳定，这对输运和扫描探针实验具有重要意义。

ABSTRACT

We consider magic-angle twisted bilayer graphene (TBG) at filling $ u=+3$, where experiments have observed a robust quantized anomalous Hall effect. This has been attributed to the formation of a valley- and spin-polarized Chern insulating ground state that spontaneously breaks time-reversal symmetry, and is stabilized by a hexagonal boron nitride (hBN) substrate. We develop a formalism for treating inhomogeneous moire systems and apply it to study domain walls between such fully-polarized regions. We identify two different types of chiral domain wall, distinguished by whether valley polarization remains unchanged or flips across the wall. Via Hartree-Fock calculations of domain-wall energies, we show that valley-switching walls are favoured in systems with uniform substrates, whereas valley-preserving walls are stabilized by spatially nonuniform substrate potentials. We comment on the implications of these results for transport and scanning probe experiments.

研究动机与目标

• 理解魔角扭曲双层石墨烯在u=+3时手性畴壁的性质，此时观察到量子化的反常霍尔效应。
• 研究基底势结构（均匀与非均匀）如何影响不同畴壁类型的稳定性。
• 确定谷极化与自旋极化在稳定不同手性畴壁构型中的作用。
• 为非均匀莫尔超晶格系统提供一个理论框架，以模拟关联二维材料中的畴壁。
• 预测这些畴壁在输运和扫描探针实验中的可观测特征。

提出的方法

• 建立一种处理非均匀莫尔超晶格系统的形式化方法，考虑空间变化的势场与电子关联效应。
• 应用哈特里-福克计算方法，研究在基底势场存在下畴壁的能量。
• 区分两种类型的手性畴壁：一种保持谷极化，另一种在畴壁处发生谷极化翻转。
• 将基底势场建模为均匀或空间非均匀形式，以评估其对畴壁稳定性的影响。
• 利用该形式化方法计算在不同基底条件下，谷保持型与谷翻转型畴壁之间的能量差异。
• 分析自发时间反演对称性破缺在稳定具有手性边缘模式的陈绝缘体基态中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在魔角扭曲双层石墨烯u=+3时，可形成哪些类型的手性畴壁？
• RQ2 基底势结构如何影响不同畴壁类型的稳定性？
• RQ3 为何在均匀基底系统中谷翻转型畴壁更占优势？
• RQ4 在何种条件下谷保持型畴壁会被稳定？
• RQ5 这些畴壁构型如何影响输运与扫描探针测量结果？

主要发现

• 识别出两种截然不同的手性畴壁类型：一种保持谷极化，另一种在畴壁处发生谷极化翻转。
• 在具有均匀六方氮化硼基底的系统中，谷翻转型畴壁在能量上更占优势。
• 谷保持型畴壁由空间非均匀的基底势所稳定。
• 手性畴壁的形成与陈绝缘体基态中自发时间反演对称性破缺密切相关。
• 结果表明，通过基底工程可实现对手性畴壁类型与稳定性的调控。
• 这些畴壁构型为扭曲双层石墨烯中输运与扫描探针实验提供了可检验的信号。