[论文解读] Strange metal phase of disordered magic-angle twisted bilayer graphene at low temperatures: from flatbands to weakly coupled Sachdev-Ye-Kitaev bundles

Chenan Wei, Tigran Sedrakyan|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

本文提出，在魔角扭曲双层石墨烯（TBG）中，库仑无序在低温下驱动系统进入奇异金属（SM）相，其中强库仑无序将平坦能带态局域化为弱耦合的萨赫德-叶-基塔耶夫（SYK）束。通过随机展开和精确对角化，作者表明奇异金属相表现出量子混沌、最大量子翻滚（李雅普诺夫指数 λ ∝ T²），且无准粒子存在。有限温度相图预测，随着无序增强，系统将从超导/绝缘相转变为奇异金属相。

ABSTRACT

We use stochastic expansion and exact diagonalization to study the magic-angle twisted bilayer graphene (TBG) on a disordered substrate. We show that the substrate-induced strong Coulomb disorder in TBG with the chemical potential at the level of the flatbands drives the system to a network of weakly coupled Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) bundles, stabilizing an emergent quantum chaotic strange metal (SM) phase of TBG that exhibits the absence of quasiparticles. The Gaussian orthogonal ensemble dominates TBG's long-time chaotic dynamics at strong disorder, whereas fast quantum scrambling appears in the short-time dynamics. In weak disorder, gapped phases of TBG exhibit exponentially decaying specific heat capacity and exponential decay in out-of-time-ordered correlators (OTOC). This is the system behavior in correlated insulator and superconducting phases, in agreement with the corresponding Larkin-Ovchinnikov result for correlators. The result suggests a low-temperature transition from the superconducting and correlated insulating phases into the strange metal upon increasing the disorder strength. We propose a finite-temperature phase diagram for Coulomb-disordered TBG and discuss the experimental consequences of the emergent SM phase.

研究动机与目标

• 理解库仑无序对魔角扭曲双层石墨烯（TBG）中平坦能带系统的影响。
• 研究无序TBG在低温下非费米液体行为的出现机制。
• 确定无序是否驱动系统从超导/绝缘相向奇异金属相转变。
• 表征所得奇异金属相中的量子混沌动力学与信息翻滚特性。

提出的方法

• 使用随机展开方法对TBG哈密顿量中的库仑无序进行建模。
• 采用精确对角化方法计算无序TBG系统的有限温度性质。
• 分析时间有序关联函数（OTOC）以探测量子翻滚和李雅普诺夫指数。
• 计算比热容以区分有能隙相（绝缘/超导）与奇异金属相。
• 与高斯正交系综（GOE）比较，以识别量子混沌。
• 基于电子密度和无序强度构建有限温度相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 魔角TBG中的库仑无序是否在低温下驱动系统进入奇异金属相？
• RQ2 无序TBG系统中的量子动力学本质为何——是否表现出最大量子翻滚？
• RQ3 热力学与动力学性质（比热、OTOC）在有能隙相与奇异金属相之间有何差异？
• RQ4 平坦能带局域化及SYK类束之间的弱耦合在稳定奇异金属相中起何作用？
• RQ5 能否构建一个有限温度相图，以捕捉从超导/绝缘相到奇异金属相的转变？

主要发现

• 在强无序及电子密度 n = -3 和 n = 0 时，系统表现出无准粒子且具有最大量子混沌的奇异金属相。
• 奇异金属相由局域平坦能带态形成的弱耦合萨赫德-叶-基塔耶夫（SYK）束网络所稳定。
• 长时间动力学由高斯正交系综（GOE）主导，表明存在量子混沌。
• 李雅普诺夫指数 λ 随 T² 变化，与非费米液体及布兰克耗散行为一致。
• 在有能隙相（绝缘与超导）中，比热呈指数衰减，OTOC也呈指数衰减，与拉林科-奥夫钦尼科夫结果一致。
• 随着无序增强，系统经历有限温度相变，从超导/绝缘相转变为奇异金属相，且在 n = -2 时，奇异金属相即使在弱无序下仍能持续存在。