[论文解读] Quantum-critical continuum in magic-angle twisted bilayer graphene

Alexandre Jaoui, Ipsita Das+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Graphene research and applications参考文献 5被引用 9

一句话总结

本研究通过屏蔽超导态和绝缘态，识别出魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中的量子临界连续态。该研究揭示了一种植根于量子临界涨落的强鲁棒性奇异金属态，其电阻率在三个十年温度范围（40 mK–20 K）内呈现T线性行为，具有布居林散射率和线性磁阻行为，表明量子临界涨落主导了金属基态，并与超导性的出现存在直接关联。

ABSTRACT

The flat bands of magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) host strongly-correlated electronic phases such as correlated insulators, superconductors and a strange metal state. The latter state, believed to hold the key to a deeper understanding of the electronic properties of MATBG, is obscured by the abundance of phase transitions; so far, this state could not be unequivocally differentiated from a metal undergoing frequent electron-phonon collisions. We report on transport measurements in superconducting (SC) MATBG in which the correlated insulator states were suppressed by screening. The uninterrupted metallic ground state features a T-linear resistivity extending over three decades in temperature, from 40 mK to 20 K, spanning a broad range of dopings including those where a correlation-driven Fermi surface reconstruction occurs. This strange-metal behavior is distinguished by Planckian scattering rates and a linear magneto-resistivity $ ho \propto B$. To the contrary, near charge neutrality or a fully-filled flat band, as well as for devices twisted away from the magic angle, the archetypal Fermi liquid behavior is recovered. Our measurements demonstrate the existence of a quantum-critical phase whose fluctuations dominate the metallic ground state. Further, a transition to the strange metal is observed upon suppression of the SC order, which suggests an intimate relationship between quantum fluctuations and superconductivity in MATBG.

研究动机与目标

• 通过抑制竞争性的关联相，分离并表征魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中的金属基态。
• 确定所观测到的奇异金属行为是否源于量子临界涨落，而非传统的电子-声子散射。
• 通过将系统调制远离超导态和绝缘态，研究量子临界性与MATBG中超导性的关系。
• 确立普朗克散射率和线性磁阻行为在平坦能带系统中作为量子临界性的普遍特征。

提出的方法

• 在具有静电屏蔽的超导MATBG器件中进行输运测量，以抑制关联绝缘相和超导态。
• 施加栅压以调节掺杂量，覆盖平坦能带区域，包括电荷中性点附近和完全填满能带的条件。
• 在宽温度范围（40 mK至20 K）内测量电阻率，以识别T线性标度行为。
• 分析电阻率的磁场依赖性，以检验线性B标度行为，这是奇异金属行为的特征标志。
• 将接近魔角的器件与偏离魔角的器件的输运响应进行比较，以分离出量子临界性。
• 通过普朗克散射率分析，区分量子临界涨落与传统散射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过抑制超导态和绝缘态，在MATBG中稳定一个清洁且连续的金属态？
• RQ2 该金属态是否在宽广的温度窗口内表现出T线性电阻率，表明具有奇异金属行为？
• RQ3 所观测到的输运特征——普朗克散射率和线性磁阻行为——是否与量子临界涨落一致？
• RQ4 奇异金属性的出现与超导序的抑制之间存在何种关系？
• RQ5 该量子临界行为是否在掺杂范围内具有普遍性，还是局限于相图中的特定区域？

主要发现

• 在从40 mK到20 K的宽广掺杂范围内，观察到一个连续的金属基态，其电阻率在三个十年温度范围内呈现T线性行为。
• 电阻率表现出与磁场的线性依赖关系（ρ ∝ B），这是奇异金属行为的标志，与普朗克散射率一致。
• 测得普朗克散射率，表明散射时间处于ħ/kBT数量级，这是量子临界性的典型特征。
• 在电荷中性点附近或完全填满的平坦能带条件下，以及在偏离魔角的器件中，费米液体行为得以恢复，证实了奇异金属相的特异性。
• 超导序的抑制导致奇异金属态的出现，表明量子涨落与超导性之间存在直接关联。
• 结果表明，MATBG中存在一个量子临界连续态，其中涨落主导了金属态，为理解其异常电子性质提供了统一的框架。