[论文解读] Chern Insulators and Topological Flat-bands in Magic-angle Twisted Bilayer Graphene

Shuang Wu, Zhang, Zhenyuan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Graphene research and applications被引用 13

一句话总结

本研究通过输运测量研究了魔角扭曲双层石墨烯（MA-TBG）中的拓扑平坦能带和陈绝缘体。研究揭示了掺杂诱导的利什茨相变和范霍夫奇异性，这些现象驱动关联诱导能隙的形成，导致在填充数1、2和3处出现量子化霍尔平台，证实了陈数分别为+1、+2和+3的陈绝缘体态。在5 T以上的磁场下，3.5填充处出现的意外范霍夫奇异性提示可能存在分数陈绝缘体相。

ABSTRACT

Magic-angle twisted bilayer graphene (MA-TBG) exhibits intriguing quantum phase transitions triggered by enhanced electron-electron interactions when its flat-bands are partially filled. However, the phases themselves and their connection to the putative non-trivial topology of the flat bands are largely unexplored. Here we report transport measurements revealing a succession of doping-induced Lifshitz transitions that are accompanied by van Hove singularities (VHS) which facilitate the emergence of correlation-induced gaps and topologically non-trivial sub-bands. In the presence of a magnetic field, well quantized Hall plateaus at filling of 1, 2, 3 carriers per moiré-cell reveal the sub-band topology and signal the emergence of Chern insulators with Chern-numbers, ! = !, !, !, respectively. Surprisingly, for magnetic fields exceeding 5T we observe a VHS at a filling of 3.5, suggesting the possibility of a fractional Chern insulator. This VHS is accompanied by a crossover from low-temperature metallic, to high-temperature insulating behavior, characteristic of entropically driven Pomeranchuk-like transitions,

研究动机与目标

• 探究魔角扭曲双层石墨烯（MA-TBG）在部分填充时平坦能带的拓扑性质。
• 研究电子-电子相互作用与范霍夫奇异性在驱动关联诱导能隙中的作用。
• 确定在磁场下新兴亚能带的拓扑不变量（陈数）。
• 通过高场输运行为探究分数陈绝缘体态的可能性。
• 理解利什茨相变、范霍夫奇异性与MA-TBG中金属-绝缘体转变之间的相互作用。

提出的方法

• 在悬浮的魔角扭曲双层石墨烯器件上进行低温输运测量。
• 施加高达9 T的磁场，以探测朗道能级量子化与霍尔响应。
• 通过调节栅压控制载流子密度，绘制掺杂依赖的相图。
• 通过微分电导和霍尔电阻中的异常现象识别范霍夫奇异性。
• 通过分析每个摩尔图案胞内整数填充数（1、2、3）处霍尔平台的演化，推断陈数。
• 在3.5填充处观察到低温金属态向高温绝缘态的转变，表明存在熵效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 当魔角扭曲双层石墨烯的平坦能带部分填充时，其拓扑性质是什么？
• RQ2 在特定载流子填充数下的范霍夫奇异性如何影响关联驱动能隙的形成？
• RQ3 整数填充数处的量子化霍尔平台是否表明形成了具有量化陈数的陈绝缘体？
• RQ4 在高磁场下3.5填充处是否存在分数陈绝缘体相的证据？
• RQ5 所观察到的3.5填充处的金属-绝缘体转变由何驱动，其与熵效应有何关联？

主要发现

• 每个摩尔图案胞内填充数为1、2和3处的量子化霍尔平台，证实了陈数分别为+1、+2和+3的陈绝缘体态的形成。
• 在特定掺杂水平下出现的范霍夫奇异性促进了平坦能带中关联诱导能隙的打开。
• 在磁场超过5 T的条件下，观察到每个摩尔图案胞内3.5个载流子填充处存在范霍夫奇异性。
• 该体系在3.5填充处表现出从低温金属态到高温绝缘态的转变，特征为熵驱动的庞加莱类似转变。
• 清晰的霍尔平台出现与范霍夫奇异性的存在强烈暗示了分数陈绝缘体相的潜在可能性。
• 输运数据揭示了与费米面拓扑演化相关的、由掺杂诱导的利什茨相变序列。