[论文解读] Angle-resolved transport nonreciprocity and spontaneous symmetry breaking in twisted trilayer graphene

Naiyuan James Zhang, Jiangxiazi Lin+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2022

Graphene research and applications被引用 8

一句话总结

本研究引入角度分辨输运非互易性测量，以探测扭曲三原子层石墨烯（tTLG）中自发对称性破缺现象，揭示在热和电流偏置下镜像轴发生迟滞旋转。关键发现为非互易性起始与轨道铁磁性同步出现，通过动量空间中的交换驱动不稳定性，建立了旋转对称性与时间反演对称性破缺之间的直接关联。

ABSTRACT

The ability to identify and characterize spontaneous symmetry breaking is central to our understanding of 2D materials with strong correlation, such as the moiré flat bands in magic-angle twisted graphene bilayer and trilayer. In this work, we utilize angle-resolved measurements of transport nonreciprocity to investigate spontaneous symmetry breaking in twisted trilayer graphene. By analyzing the angular dependence of nonreciprocity in both longitudinal and transverse channels, we are able to identify the symmetry axis associated with the underlying electronic order. We report that a hysteretic rotation in the mirror axis can be induced by thermal cycles and a large current bias, which offers unambiguous evidence for the spontaneous breaking of rotational symmetry. Moreover, the onset of nonreciprocity with decreasing temperature coincides with the emergence of orbital ferromagnetism. Combined with the angular dependence of the superconducting diode effect, our findings uncover a direct link between rotational and time-reversal symmetry breaking. These symmetry requirements point towards the exchange-driven instabilities in the momentum space as a possible origin for transport nonreciprocity in tTLG.

研究动机与目标

• 通过角度分辨输运测量，识别并表征强关联扭曲三原子层石墨烯（tTLG）中的自发对称性破缺。
• 通过分析非互易输运响应的角依赖性，确定潜在电子序的对称轴。
• 研究tTLG中非互易性、轨道铁磁性与超导二极管效应之间的相互作用。
• 探究交换相互作用在驱动动量空间不稳定性、从而导致旋转对称性与时间反演对称性破缺中的作用。
• 通过角度与温度依赖性测量，建立输运非互易性与环流态出现之间的直接关联。

提出的方法

• 采用第二谐波检测技术（V²ω）进行角度分辨非线性输运测量，以提取非互易响应。
• 使用具有45°间隔接触点的“向日葵”形tTLG器件，实现输运响应的全角度覆盖。
• 在20 mK下进行测量，零磁场且施加交流电流偏置（100 nA），以隔离本征非互易效应。
• 绘制纵向（R∥）与横向（R⊥）电阻分量的角依赖性，以识别镜像轴对称性。
• 施加热循环与大直流电流偏置，以探测镜像轴取向的迟滞行为。
• 将非互易性与莫尔能带填充因子（ν）及温度相关联，以识别相变与对称性破缺序。

实验结果

研究问题

• RQ1 tTLG中输运非互易性的角依赖性如何？它如何揭示潜在电子序的对称性？
• RQ2 在热循环与电流偏置下，镜像轴取向如何演化？这对其破缺对称性态的本质有何启示？
• RQ3 非互易性在何种莫尔能带填充下开始出现？其与轨道铁磁性出现的关系如何？
• RQ4 在角依赖性与对称性约束下，非互易性与超导二极管效应之间存在何种关系？
• RQ5 所观测到的非互易响应的起源是什么？特别是，它是否由动量空间中的交换相互作用驱动？

主要发现

• tTLG中的非互易性表现出一重或三重角依赖性，分别表明存在单一或多个镜像轴。
• 在热循环与大电流偏置下观察到镜像轴的迟滞旋转，为自发旋转对称性破缺提供了明确证据。
• 非互易性在低温下开始出现，与轨道铁磁性的出现精确同步，表现为能带填充因子ν ≈ 2.15与ν ≈ -2.4。
• 温度依赖性测量显示，无论角依赖性为一重对称还是三重对称，非互易性均在5 K以下出现。
• 超导二极管效应的角依赖性与非互易性模式一致，表明二者源于时间反演对称性与旋转对称性的共同破缺。
• 所观测到的非互易性在整数莫尔能带填充附近最强，表明费米面重构的级联过程驱动了该不稳定性。