[论文解读] Evidence of charge-ordering and broken rotational symmetry in magic angle twisted bilayer graphene

Yuhang Jiang, Jinhai Mao+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Graphene research and applications参考文献 4被引用 4

一句话总结

利用扫描隧道显微镜和谱学技术，该研究揭示了魔角扭曲双层石墨烯中的电荷序与旋转对称性破缺，当平带被掺杂时，在赝能隙相中出现了全局条纹状电荷序模式。这种结构与电子序态与高温超导体中的特征极为相似，为这些体系之间存在深层联系提供了有力证据。

ABSTRACT

The discovery of correlated electronic phases, including Mott-like insulators and superconductivity, in twisted bilayer graphene (TBLG) near the magic angle, and the intriguing similarity of their phenomenology to that of the high-temperature superconductors, has spurred a surge of research to uncover the underlying physical mechanism. Local spectroscopy, which is capable of accessing the symmetry and spatial distribution of the spectral function, can provide essential clues towards unraveling this puzzle. Here we use scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) in magic angle TBLG to visualize the local density of states (DOS) and charge distribution. Doping the sample to partially fill the flat band, where low temperature transport measurements revealed the emergence of correlated electronic phases, we find a pseudogap phase accompanied by a global stripe charge-order whose similarity to high-temperature superconductors provides new evidence of a deeper link underlying the phenomenology of these systems.

研究动机与目标

• 研究魔角扭曲双层石墨烯（TBLG）在平带附近的局域电子结构及对称性破缺。
• 确定当平带被掺杂时，电荷序与旋转对称性破缺是否在赝能隙相中出现。
• 探讨TBLG中观测到的电子序与高温超导体物理现象之间的联系。
• 为扭曲二维材料中空间调制的电荷序及其与关联电子相的关系提供直接实验证据。

提出的方法

• 利用扫描隧道显微镜（STM）和谱学（STS）技术，绘制了魔角扭曲双层石墨烯的局域态密度（DOS）分布。
• 通过掺杂部分填充平带，以观测关联电子相的形成。
• 执行空间分辨的STS测量，以探测电荷序模式与对称性破缺。
• 通过分析局域DOS的空间调制，分析电子结构的对称性。
• 将数据与电荷有序态和赝能隙行为的理论预期进行对比。
• 通过分析测量电子结构的方位角依赖性，探测旋转对称性破缺。

实验结果

研究问题

• RQ1 当平带被掺杂时，魔角扭曲双层石墨烯中是否会出现电荷序？
• RQ2 掺杂的魔角TBLG电子结构中是否存在旋转对称性破缺的迹象？
• RQ3 所观测到的电荷序模式与高温超导体中的电荷序模式有何异同？
• RQ4 TBLG中的赝能隙相是否与空间调制的电荷密度波相关？
• RQ5 所观测到的电荷序与关联绝缘态及超导态的出现之间存在何种关系？

主要发现

• 在掺杂的魔角扭曲双层石墨烯的赝能隙相中，观测到了全局条纹状电荷序模式。
• 电荷序态表现出旋转对称性破缺，表明系统的点群对称性降低。
• 局域态密度的空间调制揭示出周期性电荷密度波，其波长与莫尔超晶格周期性一致。
• 该电荷序模式在赝能隙区域持续存在，早于超导态或莫特绝缘态的出现。
• 所观测到的电荷序与高温超导体中的电荷序极为相似，提示存在共同的底层机制。
• 研究结果为扭曲双层石墨烯中电荷序与电子关联性与铜氧化物超导体中现象之间的联系提供了直接实验证据。