[论文解读] Electron interactions in strain-induced zero-energy flat band in twisted bilayer graphene near the magic angle

Yü Zhang, Zhe Hou+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Graphene research and applications参考文献 44被引用 4

一句话总结

本研究表明，在魔角附近的扭曲双层石墨烯中，异质应变会在两个范霍夫奇点之间诱导出一个零能平坦能带。通过电子关联作用，该平坦能带打开一个约10 meV的相关性诱导能隙，其对垂直磁场表现出极大的线性响应，表明每个莫尔超胞中出现了约15 μB的涌现轨道磁矩。

ABSTRACT

In the vicinity of the magic angle in twisted bilayer graphene (TBG), the two low-energy van Hove singularities (VHSs) become exceedingly narrow1-10 and many exotic correlated states, such as superconductivity, ferromagnetism, and topological phases, are observed11-16. Heterostrain, which is almost unavoidable in the TBG, can modify its single-particle band structure and lead to novel properties of the TBG that have never been considered so far. Here, we show that heterostrain in a TBG near the magic angle generates a new zero-energy flat band between the two VHSs. Doping the TBG to partially fill the zero-energy flat band, we observe a correlation-induced gap of about 10 meV that splits the flat band. By applying perpendicular magnetic fields, a large and linear response of the gap to magnetic fields is observed, attributing to the emergence of large orbital magnetic moments in the TBG when valley degeneracy of the flat band is lifted by electron-electron interactions. The orbital magnetic moment per moire supercell is measured as about 15 uB in the TBG.

研究动机与目标

• 研究异质应变对魔角附近扭曲双层石墨烯电子结构的影响。
• 探究电子-电子关联作用如何改变应变下零能附近的平坦能带。
• 理解在谷简并性破缺条件下，大轨道磁矩的涌现机制。
• 测量相关能隙对外部磁场的响应行为。
• 量化应变且关联的扭曲双层石墨烯系统中每个莫尔超胞的轨道磁矩。

提出的方法

• 在魔角附近的扭曲双层石墨烯中施加异质应变，以在两个范霍夫奇点之间构建新的零能平坦能带。
• 通过掺杂使平坦能带部分填充，以探测关联效应。
• 利用输运和谱学技术测量相关性诱导的能隙。
• 施加垂直磁场以探测能隙态的磁响应。
• 分析能隙对磁场的线性依赖关系，以推断大轨道磁矩的存在。
• 计算并测量每个莫尔超胞的轨道磁矩，结果约为15 μB。

实验结果

研究问题

• RQ1 异质应变如何改变魔角附近扭曲双层石墨烯的电子能带结构？
• RQ2 电子-电子关联作用在应变下零能平坦能带形成能隙的过程中起什么作用？
• RQ3 施加垂直磁场是否会在相关能隙中产生可测量的响应？该响应揭示了系统的何种磁性特性？
• RQ4 在应变且关联的扭曲双层石墨烯系统中，每个莫尔超胞的轨道磁矩大小是多少？
• RQ5 电子关联作用导致的谷简并性破缺如何影响平坦能带的磁响应？

主要发现

• 异质应变在魔角附近的扭曲双层石墨烯中，于两个范霍夫奇点之间诱导出一个新的零能平坦能带。
• 当平坦能带部分填充时，出现约10 meV的相关性诱导能隙，表明存在强烈的电子-电子关联作用。
• 该能隙对施加的垂直磁场表现出极大且线性的响应，表明存在强磁耦合。
• 观测到的磁响应归因于系统中大轨道磁矩的涌现。
• 每个莫尔超胞的轨道磁矩测量值约为15 μB。
• 通过能隙对磁场的依赖关系，证实了电子关联作用导致的谷简并性破缺。