[论文解读] Tracing out Correlated Chern Insulators in Magic Angle Twisted Bilayer Graphene

Youngjoon Choi, Hyunjin Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2020

Graphene research and applications被引用 14

一句话总结

本研究利用扫描隧道显微镜（STM）在有限磁场下测绘了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中的拓扑相，揭示了从整数填充处衍生出的六种不同的陈绝缘体态。通过追踪局域态密度（LDOS）并构建朗道扇形图，作者直接确定了陈数，并揭示了强关联驱动的对称性破缺相变，其对扭转角和电子密度极为敏感。

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) exhibits a range of correlated phenomena that originate from strong electron-electron interactions. These interactions make the Fermi surface highly susceptible to reconstruction when $ \\pm 1, \\pm 2, \\pm 3$ electrons occupy each moir\\' e unit cell and lead to the formation of correlated insulating, superconducting and ferromagnetic phases. While some phases have been shown to carry a non-zero Chern number, the local microscopic properties and topological character of many other phases remain elusive. Here we introduce a set of novel techniques hinging on scanning tunneling microscopy (STM) to map out topological phases in MATBG that emerge in finite magnetic field. By following the evolution of the local density of states (LDOS) at the Fermi level with electrostatic doping and magnetic field, we visualize a local Landau fan diagram that enables us to directly assign Chern numbers to all observed phases. We uncover the existence of six topological phases emanating from integer fillings in finite fields and whose origin relates to a cascade of symmetry-breaking transitions driven by correlations. The spatially resolved and electron-density-tuned LDOS maps further reveal that these topological phases can form only in a small range of twist angles around the magic-angle value. Both the microscopic origin and extreme sensitivity to twist angle differentiate these topological phases from the Landau levels observed near charge neutrality. Moreover, we observe that even the charge-neutrality Landau spectrum taken at low fields is considerably modified by interactions and exhibits an unexpected splitting between zero Landau levels that can be as large as ${\\sim }\\,3-5$ meV. Our results show how strong electronic interactions affect the band structure of MATBG and lead to the formation of correlation-enabled topological phases.

研究动机与目标

• 在有限磁场下识别并表征魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中的拓扑相。
• 确定MATBG中关联绝缘态的微观起源及其拓扑不变量（陈数）。
• 研究电子-电子关联和扭转角敏感性在稳定拓扑相中的作用。
• 解析电荷中性点附近的能带结构和朗道能级谱，特别是电子-空穴不对称性和异常能级分裂的起源。
• 发展基于STM的光谱技术，用于探测莫尔材料中关联驱动的拓扑序。

提出的方法

• 采用低温扫描隧道显微镜（STM）测量具有WSe2衬底的MATBG中的局域态密度（LDOS）。
• 施加电场栅压和垂直磁场，以调节电子密度并探测朗道能级的形成。
• 通过追踪费米能级处LDOS随栅压和磁场的变化，构建局域朗道扇形图。
• 利用空间分辨的LDOS图映射识别特定填充处的能隙态和相变。
• 通过顶貌像中AA堆叠周期性测量扭转角，以关联其与拓扑相稳定性的关系。
• 分析朗道能级间的能量间距，推断狄拉克速度和相互作用效应，并与非相互作用模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限磁场下，MATBG中关联绝缘态的陈数是什么？
• RQ2 电子-电子关联如何驱动对称性破缺相变并导致拓扑序的形成？
• RQ3 扭转角变化在稳定或 destabilize 拓扑相中起什么作用？
• RQ4 为何电荷中性点附近的朗道能级表现出四重简并且具有远大于非相互作用模型预测的能级分裂？
• RQ5 电子-空穴不对称性以及零朗道能级的关联诱导分裂如何影响MATBG中平坦能带的物理性质？

主要发现

• 在有限磁场下，从整数填充（ν = ±1, ±2, ±3）处涌现出六种不同的拓扑相，每种相均具有明确的陈数。
• 陈绝缘态由关联驱动的对称性破缺相变稳定，且对扭转角极为敏感，电子带与空穴带的魔角条件不同。
• 基于LDOS图构建的朗道扇形图可直接将陈数分配给观测到的相，证实了其拓扑本质。
• 零朗道能级分裂可达∼3–5 meV，表明在电荷中性点附近存在强烈的电子-空穴不对称性和关联效应。
• 测得的狄拉克速度约为1.5–2×10⁵ m/s，比非相互作用连续模型的预测值大一个数量级，表明存在强关联效应。
• 在偏离电荷中性点的掺杂条件下，朗道能级间距几乎保持不变，表明平坦能带内发散态包的形貌变化极小。