[论文解读] Evidence of heavy fermion physics in the thermoelectric transport of magic angle twisted bilayer graphene

Rafael Luque Merino, Dumitru Călugăru+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2024

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究通过门控定义的pn结中的光热电（PTE）测量，在魔角扭转双层石墨烯（MATBG）中提供了重费米子物理的直接实验证据。在低温下，符号保持不变、填充依赖的塞贝克系数振荡表明，尽管费米能级在空穴和电子掺杂之间调节，载流子类型仍占主导地位，表明费米能级附近存在共存的轻电子和重电子能带，与拓扑重费米子模型具有强烈的定性一致性。

ABSTRACT

It has been recently postulated, that the strongly correlated flat bands of magicangle twisted bilayer graphene (MATBG) can host coexisting heavy and light carriers. While transport and spectroscopic measurements have shown hints of this behavior, a more direct experimental proof is still lacking. Here, we explore the thermoelectric response of MATBG through the photo-thermoelectric (PTE) effect in gate-defined MATBG pn-junctions. At low temperatures, we observe sign-preserving, fillingdependent oscillations of the Seebeck coefficient at non-zero integer fillings of the moiré lattice, which suggest the preponderance of one carrier type despite tuning the Fermi level from hole to electron doping of the correlated insulator. Furthermore, at higher temperatures, the thermoelectric response provides distinct evidence of the strong electron correlations in the unordered, normal state. We show that our observations are naturally accounted for by the interplay of light and long-lived and heavy and short-lived electron bands near the Fermi level at non-zero integer fillings. Our observations firmly establish the electron and hole asymmetry of the correlated gaps in MATBG, and shows excellent qualitative agreement with the recently developed topological heavy fermion model (THF).

研究动机与目标

• 为强关联MATBG系统中重费米子物理的存在提供直接实验证据。
• 研究不同掺杂区域中MATBG中载流子的性质。
• 探究关联绝缘态中费米能级附近轻电子与重电子能带之间的相互作用。
• 在MATBG的正常态中检验拓扑重费米子（THF）模型的预测。

提出的方法

• 在门控定义的MATBG pn结上进行了光热电（PTE）效应测量。
• 通过测量塞贝克系数随栅压和温度的变化，探测载流子类型和有效质量。
• 低温测量聚焦于摩尔晶格的整数填充因子，以检测热电响应中的振荡行为。
• 高温测量用于探测MATBG的正常态，揭示强电子关联的特征。
• 基于拓扑重费米子（THF）框架的理论建模用于解释实验数据。
• 通过从空穴掺杂到电子掺杂的费米能级调节，系统研究了关联能隙中的载流子不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非零整数填充下，MATBG中费米能级附近是否存在共存的轻电子与重电子能带？
• RQ2 尽管费米能级在关联绝缘体范围内调节，热电响应如何反映某一载流子类型的主导性？
• RQ3 热电测量为MATBG正常态中强电子关联提供了哪些证据？
• RQ4 实验观测与拓扑重费米子（THF）模型的预测在多大程度上一致？
• RQ5 关联能隙的电子-空穴不对称性在热电输运特性中如何体现？

主要发现

• 在低温下观察到符号保持不变、填充依赖的塞贝克系数振荡，表明即使费米能级穿过关联绝缘体，载流子类型仍占主导地位，说明存在稳定的电子结构。
• 振荡行为在摩尔晶格的整数填充下持续存在，表明具有混合轻载流子与重载流子特性的强关联电子结构具有鲁棒性。
• 在较高温度下，热电响应表现出MATBG正常态中强电子关联的显著特征。
• 实验数据与拓扑重费米子（THF）模型的预测表现出极佳的定性一致性。
• 结果明确确立了MATBG关联能隙中的电子-空穴不对称性，其中重载流子在输运响应中起关键作用。
• 费米能级附近长寿命重能带与短寿命轻能带之间的相互作用被确定为观察到的热电行为的起源。