[论文解读] Cascade of transitions between the correlated electronic states of magic-angle twisted bilayer graphene

Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Graphene research and applications被引用 9

一句话总结

利用高分辨率扫描隧道显微镜，本研究揭示了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中由电子-电子相互作用驱动的电子态级联跃迁。在摩尔超晶格平带的每个整数填充下，库仑相互作用将简并的平带分裂为 Hubbard 子能带，导致化学势和低能激发态发生显著变化，且跃迁行为受到垂直磁场的强烈调制，从而表征了 MATBG 绝缘态和超导基态的关联性高温母相。

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) exhibits a rich variety of electronic states, including correlated insulators, superconductors, and topological phases. Understanding the microscopic mechanisms responsible for these phases requires determining the interplay between electron-electron interactions and quantum degeneracy due to spin and valley degrees of freedom. Signatures of strong electron-electron correlations have been observed at partial fillings of the flat electronic bands in recent spectroscopic measurements. Transport experiments have shown changes in the Landau level degeneracy at fillings corresponding to an integer number of electrons per moire unit cell. However, the interplay between interaction effects and the degeneracy of the system is currently unclear. Using high-resolution scanning tunneling microscopy (STM), we observed a cascade of transitions in the spectroscopic properties of MATBG as a function of electron filling. We find distinct changes in the chemical potential and a rearrangement of the low-energy excitations at each integer filling of the moire flat bands. These spectroscopic features are a direct consequence of Coulomb interactions, which split the degenerate flat bands into Hubbard sub-bands. We find these interactions, the strength of which we can extract experimentally, to be surprisingly sensitive to the presence of a perpendicular magnetic field, which strongly modifies the spectroscopic transitions. The cascade of transitions we report here characterizes the correlated high-temperature parent phase from which various insulating and superconducting ground-state phases emerge at low temperatures in MATBG.

研究动机与目标

• 理解魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中电子-电子相互作用与量子简并之间的相互作用。
• 确定库仑相互作用在整数填充时解除平带简并中的作用。
• 研究垂直磁场如何改变 MATBG 中的谱学跃迁。
• 表征导致 MATBG 低温绝缘态和超导基态出现的关联性高温母相。

提出的方法

• 采用高分辨率扫描隧道显微镜（STM）探测 MATBG 在不同电子填充下的局域电子结构。
• 测量作为平带中电子填充函数的谱学性质，包括化学势和低能激发谱。
• 分析整数填充处电子结构的变化，以识别库仑驱动的能带分裂为 Hubbard 子能带的特征。
• 施加垂直磁场以调节 Landau 能级简并性，并评估其对谱学跃迁的影响。
• 直接从实验数据中提取库仑相互作用强度，实现与理论模型的定量比较。
• 追踪填充变化过程中电子态的演化，以绘制关联区域中跃迁级联的图谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 在摩尔超晶格平带的整数填充下，电子-电子相互作用如何驱动 MATBG 电子结构的跃迁？
• RQ2 库仑相互作用在将简并平带分裂为 Hubbard 子能带中起什么作用？
• RQ3 施加垂直磁场如何影响 MATBG 中观测到的谱学跃迁？
• RQ4 在 MATBG 中，导致绝缘态和超导基态出现之前的高温关联母相具有何种性质？
• RQ5 化学势和低能激发态的变化如何与每个摩尔超晶胞的整数电子填充相关联？

主要发现

• 在摩尔超晶格平带的每个整数填充处均观测到谱学跃迁的级联现象，表明电子态经历了系列重排。
• 发现库仑相互作用将简并平带分裂为明确的 Hubbard 子能带，且相互作用强度直接从实验数据中提取。
• 化学势在整数填充处表现出明显的不连续性，表明电子基态发生了重构。
• 低能激发态在每个整数填充处均发生显著重排，反映出关联多体态的形成。
• 垂直磁场的存在显著改变了谱学跃迁行为，表明 Landau 能级物理与电子关联之间存在敏感相互作用。
• 观测到的跃迁级联表征了导致 MATBG 中绝缘态和超导基态出现的高温母相。