[论文解读] Anomalous Hall effect at half filling in twisted bilayer graphene

Chun-Chih Tseng, Xuetao Ma+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2022

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

本研究报告了在扭曲角略偏离魔角（0.96° 和 1.20°）的扭曲双层石墨烯（tBLG）器件中，于半填充（ν = ±2）处意外观测到反常霍尔效应（AHE），表明由于谷极化的基态而产生了有限的轨道磁矩。该结果挑战了强关联极限中的先前理论预期，并揭示了中间关联强度区域（U/W ~ 1）中一种新颖的关联相，凸显了对超越强关联极限的精细化理论模型的迫切需求。

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) has been studied extensively owing to its wealth of symmetry-broken phases, correlated Chern insulators, orbital magnetism, and superconductivity. In particular, the anomalous Hall effect (AHE) has been observed at odd integer filling factors ($ν=1$ and $3$) in a small number of tBLG devices, indicating the emergence of a zero-field orbital magnetic state with spontaneously broken time-reversal symmetry. However, the AHE is typically not anticipated at half filling ($ν=2$) owing to competing intervalley coherent states, as well as spin-polarized and valley Hall states that are favored by an intervalley Hund's coupling. Here, we present measurements of two tBLG devices with twist angles slightly away from the magic angle (0.96$^{\circ}$ and 1.20$^{\circ}$), in which we report the surprising observation of the AHE at $ν=+2$ and $-2$, respectively. These findings imply that a valley-polarized phase can become the ground state at half filling in tBLG rotated slightly away from the magic angle. Our results reveal the emergence of an unexpected ground state in the intermediately-coupled regime ($U/W \sim 1$, where $U$ is the strength of Coulomb repulsion and $W$ is the bandwidth), in between the strongly-correlated insulator and weakly-correlated metal, highlighting the need to develop a more complete understanding of tBLG away from the strongly-coupled limit.

研究动机与目标

• 研究当扭曲角略微偏离魔角时，扭曲双层石墨烯（tBLG）在半填充处的电子相。
• 理解在中间关联强度区域（U/W ~ 1）中，具有有限轨道磁矩的对称性破缺态（特别是此类态）的产生机制。
• 解决理论预测（在半填充处偏好形成谷间相干态或自旋极化态）与实验观测到的在 ν = ±2 处反常霍尔效应（AHE）之间的矛盾。
• 探讨局域对称性破缺（如 C2 对称性破缺）在稳定 tBLG 中谷极化相中的作用。

提出的方法

• 在两台扭曲角分别为 0.96° 和 1.20° 的 tBLG 器件上，采用低温输运装置在 20 mK 和 100 mK 的基底温度下进行输运测量。
• 测量了纵向电阻率（ρxx）和霍尔电阻（ρxy）随磁场和栅压变化的朗道扇形图，以识别关联态和 AHE。
• 通过在磁场扫场（B↑ 和 B↓）下测量霍尔电阻的非对称性来量化反常霍尔效应，其中 AHE 幅度定义为 Δρxy/2 = (ρxy^B↓ − ρxy^B↑)/2。
• 获取了 AHE 幅度随温度变化的测量数据，以评估关联态的稳定性和本质。
• 在器件的多个接触点上进行了补充测量，以探测空间非均匀性及局部扭曲角的变化。
• 通过分析电荷中性点电阻率和热激活行为，评估了六方氮化硼（BN）封装的作用，结果表明 BN 层可能与石墨烯实现了近乎理想的对齐。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在扭曲角略偏离魔角的 tBLG 器件中，于半填充（ν = ±2）处观测到反常霍尔效应，而这一现象与理论预期相悖？
• RQ2 导致 ν = ±2 处 AHE 的关联基态的本质是什么？它与预期的谷间相干态或自旋极化态有何不同？
• RQ3 在中间关联强度区域（U/W ~ 1）中，与强关联极限（U/W >> 1）相比，该区域如何影响谷极化相的稳定性？
• RQ4 局域结构非均匀性或 BN 封装对齐程度在多大程度上诱导了 C2 对称性破缺，从而稳定了观测到的 AHE？
• RQ5 为何 AHE 表现为金属性而非量子化？这对其破缺对称性态的本质意味着什么？

主要发现

• 在扭曲角为 0.96° 的器件中于 ν = +2 处观测到反常霍尔效应，表明在半填充时存在有限的轨道磁矩。
• 在扭曲角为 1.20° 的器件中于 ν = -2 处也观测到金属性 AHE，证实该效应在魔角附近的多个扭曲角下具有鲁棒性。
• AHE 幅度表现出温度依赖性，高温下明显抑制，表明其具有关联的多体起源。
• 同一器件中空间分离区域同时存在一个平凡的关联绝缘体（在 ν = -2）和 AHE，表明竞争相之间近乎简并。
• 观测到的 AHE 最自然的解释是谷极化的基态，而该态在强关联极限（U/W >> 1）下于半填充处并未被理论预测。
• 结果表明，中间关联强度区域（U/W ~ 1）能够实现新的对称性破缺相（如谷极化），而这些相在强关联极限下不可访问。