[論文レビュー] Tunable correlation-driven symmetry breaking in twisted double bilayer graphene

Minhao He, Yuhao Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2020

Graphene research and applications参考文献 47被引用数 35

ひとこと要約

ねじれたダブル・ビライアングラフェンにおける相関絶縁体の近傍での相関金属状態は自発的対称性破れを起こし、抵抗の低下とホール符号の変化がこれらの状態に関連する。非線形輸送は主にジュール熱で説明される。

ABSTRACT

A variety of correlated phases have recently emerged in select twisted van der Waals (vdW) heterostructures owing to their flat electronic dispersions. In particular, heterostructures of twisted double bilayer graphene (tDBG) manifest electric field-tunable correlated insulating (CI) states at all quarter fillings of the conduction band, accompanied by nearby states featuring signatures suggestive of superconductivity. Here, we report electrical transport measurements of tDBG in which we elucidate the fundamental role of spontaneous symmetry breaking within its correlated phase diagram. We observe abrupt resistivity drops upon lowering the temperature in the correlated metallic phases neighboring the CI states, along with associated nonlinear $I$-$V$ characteristics. Despite qualitative similarities to superconductivity, concomitant reversals in the sign of the Hall coefficient instead point to spontaneous symmetry breaking as the origin of the abrupt resistivity drops, while Joule heating appears to underlie the nonlinear transport. Our results suggest that similar mechanisms are likely relevant across a broader class of semiconducting flat band vdW heterostructures.

研究の動機と目的

• tDBG（ねじれたダブル・ビライアングラフェン）における相関がそのフラットバンド相図の中で対称性破れを引き起こす仕組みを調べる。
• 変位場とキャリア密度が相関絶縁状態と近傍の金属相をどのように調整するかを決定する。
• 輸送、ホール効果、および温度依存性を通じて対称性破れの兆候を同定する。

提案手法

• BNで包囲し graphiteゲートを備えたデュアルゲート付きtDBGデバイスを作製する。
• mK温度で、キャリア密度nおよび変位場Dの関数として抵抗率とホール係数を測定する。
• 温度依存性 ρ(T) および微分抵抗 dV/dI を分析して非線性とジュール熱の可能性を同定する。
• 一般化されたBistritzer-MacDonaldモデルとK空間の tight-binding アプローチを用いて、層間ポテンシャルUの関数としてバンド構造とDOSを計算する。
• 推定された縮退の解除と対称性破れ金属領域とホール符号変化を相関付ける。）

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 tDBGの相関絶縁状態は変位場とねじれ角にどのように依存するか？
• RQ2 相関絶縁体に隣接する金属状態は自発的な対称性破れを示すか、輸送およびホール測定によってどのように検出できるか？
• RQ3 観測された非線形輸送と抵抗の低下における温度とジュール熱の役割は何か？
• RQ4 ハロ領域を横切るホール係数の変化はどのように推定されるか、そして縮退の解除について何を意味するか？

主な発見

• ν=2相関絶縁体状態を取り囲むハロ領域内で急激なρ(T)低下が生じ、対称性破れ金属挙動を示している。
• ホール係数の符号変化は絶縁状態およびハロ領域に伴い、フェルミ面の相関駆動再構成を示唆している。
• ハロ内で非線形I–Vが観測され、従来の超伝導状態ではなく主にジュール熱が原因とされる（臨界電流の明確な兆候はない）。
• 温度とともにハロ領域は変化し、T上昇に伴い R_H=0 の等高線が ν=2 に向かって縮小し、温度依存の対称性破れを示す。
• ν=2 CI状態のエネルギーギャップは変位場および平行磁場に依存し、ゼーマン効果を超える軌道寄与を示唆している。
• 複数のねじれ角（1.17°–1.53°）において、ハロ特徴と対称性破れ金属状態は定性的に頑健である一方、CI強度はデバイスごとに変動する。