[论文解读] Electronic anisotropy in magic-angle twisted trilayer graphene

Naiyuan J. Zhang, Yibang Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2022

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究通过在'向日葵'器件几何结构中采用角分辨输运测量（ARTM），首次建立了电子各向异性和魔角扭曲三重石墨烯中由库仑相互作用驱动的同位旋态级联转变之间的实验关联。结果表明，电子各向异性的强关联性不仅体现在整数填充附近级联现象，还与低温下一种新型的$PT$对称性破缺态紧密相关，当$PT$对称性破缺不存在时，各向异性被抑制。

ABSTRACT

Due to its potential connection with nematicity, electronic anisotropy has been the subject of intense research effort on a wide variety of material platforms. The emergence of spatial anisotropy not only offers a characterization of material properties of metallic phases, which cannot be accessed via conventional transport techniques, but it also provides a unique window into the interplay between Coulomb interaction and broken symmetry underlying the electronic order. In this work, we utilize a new scheme of angle-resolved transport measurement (ARTM) to characterize electron anisotropy in magic-angle twisted trilayer graphene. By analyzing the dependence of spatial anisotropy on moiré band filling, temperature and twist angle, we establish the first experimental link between electron anisotropy and the cascade phenomenon, where Coulomb interaction drives a number of isospin transitions near commensurate band fillings. Furthermore, we report the coexistence between electron anisotropy and a novel electronic order that breaks both parity and time reversal symmetry. Combined, the link between electron anisotropy, cascade phenomenon and PT-symmetry breaking sheds new light onto the nature of electronic order in magic-angle graphene moiré systems.

研究动机与目标

• 通过实验直接建立魔角扭曲三重石墨烯中电子各向异性与强库仑相互作用驱动的同位旋态级联转变之间的联系。
• 分离库仑相互作用与应变和扭转非均匀性在诱导电子各向异性中的作用。
• 通过关联各向异性和非互易输运响应，探究低温电子序的性质。
• 利用新型'向日葵'几何结构器件表征空间均匀的电子各向异性，以提高分辨率。

提出的方法

• 在具有八个电极的'向日葵'形器件上采用角分辨输运测量（ARTM），以绘制纵向电阻$R_{\parallel}(\phi)$的角依赖性。
• 采用两种电流偏置配置（I和II），以提取完整的电导率张量，并区分本征各向异性和应变等外部效应。
• 采用圆形样品几何结构（约2 μm直径），以最小化由扭转角变化引起的空间非均匀性。
• 分析$R_{\parallel}(\phi)$的角依赖性，以识别条纹序并检测掺杂和温度变化下的指向轴旋转。
• 通过关联各向异性和非互易输运响应，识别在$T < 5$ K时的$PT$对称性破缺序。
• 系统调节莫尔能带填充、温度和扭转角，以分离库仑相互作用对各向异性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 魔角扭曲三重石墨烯中的电子各向异性是否与整数填充附近由库仑相互作用驱动的同位旋态级联转变相关？
• RQ2 电子各向异性的取向和大小如何依赖于莫尔能带填充和温度？
• RQ3 所观测到的电子各向异性主要由库仑相互作用引起，还是由应变和扭转非均匀性等外部因素引起？
• RQ4 $PT$对称性破缺序在决定低温下电子各向异性的温度依赖性中起什么作用？
• RQ5 非互易输运响应的角对称性是否可用于识别低温电子序的性质？

主要发现

• 电子各向异性与整数填充附近同位旋态级联转变强烈相关，在魔角区域$\nu = +2$处出现急剧的起始。
• 在$\theta = 1.33^\circ$时，偏离魔角导致同位旋态转变被抑制，从而引起电子各向异性的崩溃，尤其在空穴掺杂区域更为显著。
• 在$T < 5$ K范围内，当非互易响应表现出三重对称性时，电子各向异性被抑制，表明系统转变为各向同性态。
• 低温下出现的一重对称非互易响应与各向异性比的急剧增强相吻合，表明其与$PT$对称性破缺序的出现直接相关。
• 电子各向异性和$PT$对称性破缺序共存，且与晶格畸变无耦合，为各向异性的库仑起源提供了有力证据。
• 低温下各向异性起始范围的展宽归因于单轴应变，但整体掺杂和扭转角依赖性证实了库仑相互作用起主导作用。