[论文解读] Dynamical correlations and order in magic-angle twisted bilayer graphene

Gautam Rai, Lorenzo Crippa+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2023

Graphene research and applications被引用 5

一句话总结

本研究对魔角扭曲双层石墨烯的拓扑重费米子（THF）模型应用动力学平均场理论（DMFT），揭示了动力学关联与电子序如何调控涌现的绝缘态与金属态。研究识别出三个关键机制：约100 K时局域自旋与谷同位旋矩的形成，约10 K时同位旋序的出现，以及掺杂驱动的局域与离域态之间电荷重分布，解释了从不良金属到良好金属的转变以及压缩率从近乎不可压缩到负值的周期性李斯蒂茨转变。

ABSTRACT

In magic angle twisted bilayer graphene, transport, thermodynamic and spectroscopic experiments pinpoint at a competition between distinct low-energy states with and without electronic order. We use Dynamical Mean Field Theory (DMFT) on the topological heavy Fermion (THF) model of twisted bilayer graphene to investigate the emergence of electronic correlations and long-range order in the absence of strain. We contrast moment formation, Kondo screening and ordering on a temperature basis and explain the nature of emergent correlated states based on three central phenomena: (i) the formation of local spin and valley isospin moments around 100K, (ii) the ordering of the local isospin moments around 10K preempting Kondo screening, and (iii) a cascadic redistribution of charge between localized and delocalized electronic states upon doping. At integer fillings, we find that low energy spectral weight is depleted in the symmetric phase, while we find insulating states with gaps enhanced by exchange coupling in the zero-strain ordered phases. Doping away from integer filling results in distinct metallic states: a "bad metal" above the ordering temperature, where scattering off the disordered local moments suppresses electronic coherence, and a "good metal" in the ordered states with coherence of quasiparticles facilitated by isospin order. This finding reveals coherence from order as the microscopic mechanism behind the Pomeranchuk effect observed experimentally. Upon doping, there is a periodic charge reshuffling between localized and delocalized electronic orbitals leading to cascades of doping-induced Lifshitz transitions, local spectral weight redistributions and periodic variations of the electronic compressibility. Our findings provide a unified understanding of the most puzzling aspects of scanning tunneling spectroscopy, transport, and compressibility experiments.

研究动机与目标

• 理解无应变条件下魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中动力学电子关联与长程序之间的相互作用。
• 解决局域与离域载流子之间的竞争关系，以及不同绝缘态与金属态的涌现机制。
• 通过电荷转移与序的统一框架，解释扫描隧道谱、输运与压缩率实验中的谜题。

提出的方法

• 将动力学平均场理论（DMFT）应用于MATBG的拓扑重费米子（THF）模型，以动态处理局域关联。
• 通过迭代调节化学势控制总填充度，自洽求解DMFT方程。
• 通过单一代数位移引入几何电容效应至f轨道子空间，改善收敛性并减少占据数的振荡。
• 引入杂化项以描述局域f轨道与巡游c轨道之间的耦合，实现局域与离域态之间的电荷转移。
• 计算谱函数、逆压缩率与占据数，以探测电子结构与相变行为。
• 将理论结果与Zondiner、Pierce及Saito的实验数据进行比较，通过电荷密度转换为填充因子ν，并匹配μ(ν)与dμ/dn曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在零应变条件下，动力学关联与局域磁矩如何影响魔角扭曲双层石墨烯的相图？
• RQ2 掺杂与同位旋序如何驱动从不良金属到良好金属的转变？
• RQ3 局域与离域轨道之间电荷重分布如何导致周期性李斯蒂茨转变与异常压缩率？
• RQ4 系统为何表现出负的逆压缩率区域？几何电容在稳定这些相态中起何作用？
• RQ5 观测到的谱权耗竭与能隙如何与有序与对称相的形成相关联？

主要发现

• 约100 K时形成局域自旋与谷同位旋矩，表明在无长程序条件下强局域关联的开始。
• 约10 K时发生同位旋序，稳定了相干准粒子态，使‘良好金属’得以涌现并增强准粒子相干性。
• 掺杂引发f轨道（局域）与c轨道（离域）之间电荷的级联重分布，导致在整数填充之间周期性地填充与空化轨道。
• 整数填充时的绝缘态因交换耦合而出现增强的能隙，而在对称（无序）相中谱权则被耗竭。
• 系统表现出电子压缩率的周期性变化，范围从近乎不可压缩到负值，由掺杂诱导的李斯蒂茨转变驱动。
• 即使引入几何电容后，负的逆压缩率仍持续存在，表明在ν ≈ ±0.6附近存在内在的电子相分离趋势，尽管更大的栅间电容可能使系统在所有掺杂条件下保持稳定。