[论文解读] Excess entropy and breakdown of semiclassical description of thermoelectricity in twisted bilayer graphene close to half filling

Bhaskar Ghawri, Phanibhusan S. Mahapatra+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2020

Graphene research and applications参考文献 48被引用 5

一句话总结

本研究报告在约1.6°的扭转角附近、在半填充附近，扭曲双层石墨烯（tBLG）中出现半经典的Mott关系失效，表现为在10 K时热电功率显著超出（S ≈ 2 μV/K），且电阻率呈现T线性行为，散射率接近普朗克极限。这些发现表明tBLG中存在本征的非费米液体物理行为，即使在非魔角区域也存在，揭示了超越准粒子描述的强关联效应。

ABSTRACT

In moiré systems with twisted bilayer graphene (tBLG), the amplification of Coulomb correlation effects at low twist angles ($θ$) is a result of nearly flat low-energy electronic bands and divergent density of states (DOS) at van Hove singularities (vHS). This not only causes superconductivity, Mott insulating states, and quantum anomalous Hall effect close to the critical (or magic) angle $θ= θ_{c} \approx 1.1^\circ$, but also unconventional metallic states that are claimed to exhibit non-Fermi liquid (NFL) excitations. However, unlike superconductivity and the correlation-induced gap in the DOS, unambiguous signatures of NFL effects in the metallic state remain experimentally elusive. Here we report simultaneous measurement of electrical resistivity ($ρ$) and thermoelectric power ($S$) in tBLG at $θ\approx 1.6^\circ$. We observe an emergent violation of the semiclassical Mott relation in the form of excess $S$ close to half-filling. The excess $S$ ($\approx 2$ $μ$V/K at low temperature $T \sim 10$ K) persists up to $\approx 40$ K, and is accompanied by metallic $T$-linear $ρ$ with transport scattering rate ($τ^{-1}$) of near-Planckian magnitude $τ^{-1} \sim k_{B}T/\hbar$. The combination of non-trivial electrical transport and violation of Mott relation provides compelling evidence of NFL physics intrinsic to tBLG, at small twist angle and half-filling.

研究动机与目标

• 探究在接近半填充及小扭转角条件下，半经典Mott关系在扭曲双层石墨烯（tBLG）中的有效性。
• 研究在θ ≈ 1.6°（远离魔角θc ≈ 1.1°）时电子关联在tBLG中的作用，此时预期存在强关联效应。
• 确定所观测到的输运异常——T线性电阻率与过剩热电功率——是否表明非费米液体（NFL）物理行为。
• 区分准粒子主导输运与关联驱动的非费米液体行为在金属tBLG中的作用。
• 通过同步电学与热电测量，提供tBLG中非费米液体激发的实验证据。

提出的方法

• 在稀释制冷机与1.5 K低温恒温器中，将温度降至10 K，同步测量四端子电学电阻率（ρ）与热电功率（S）。
• 采用17 Hz的局域焦耳加热在tBLG沟道上产生温度梯度ΔT，并测量二次谐波热电压（V2ω）以提取S。
• 通过半经典公式检验Mott关系：S_Mott = (π²k_B²T / 3|e|) × (d ln R/dE)|_E_F，假设为弹性、各向同性散射。
• 利用紧束缚能带结构计算在θ = 1.6°时的电子能带与态密度（DOS），采用LAMMPS与REBO/DRIP势进行弛豫。
• 采用在六角晶格上构建的四轨道Hubbard模型的动态平均场理论（DMFT），计算热电功率，使用自洽确定的局域格林函数与改进的多轨道IPT杂质求解器。
• 从紧束缚能带结构中提取输运态密度（DOS），用于输入DMFT热电功率计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在θ ≈ 1.6°的tBLG中，接近半填充时，其热电功率是否偏离半经典Mott关系？
• RQ2 所观测到的T线性电阻率与接近普朗克极限的散射率（τ⁻¹ ~ k_BT/ħ）是否与准粒子输运一致，还是表明非费米液体行为？
• RQ3 过剩热电功率（S > S_Mott）是否可归因于强电子关联，而非无序或散射各向异性？
• RQ4 在远高于魔角（θ > 1.1°）的扭转角下，关联效应在tBLG中持续存在的程度如何，此时传统准粒子描述预期仍成立？
• RQ5 范霍夫奇点与平坦能带在驱动金属tBLG中的非费米液体物理行为中起何作用，即使在无超导性的情况下？

主要发现

• 在接近半填充（ν = ±2）的10 K附近，观察到约2 μV/K的过剩热电功率，持续至约40 K，表明半经典Mott关系失效。
• 电学电阻率表现出T线性行为，其输运散射率τ⁻¹ ~ k_BT/ħ，与普朗克耗散一致，表明准粒子描述失效。
• T线性电阻率与过剩S的结合为tBLG在θ ≈ 1.6°时存在非费米液体（NFL）物理行为提供了有力证据，即使远离魔角亦然。
• 所观测到的热电与输运异常并非由无序或各向异性散射引起，因为即使在假设各向同性散射下，Mott关系的破坏依然存在。
• 采用六角晶格上四轨道Hubbard模型的DMFT计算成功再现了过剩S，证实强电子关联在驱动NFL行为中的作用。
• 结果表明，tBLG中准粒子描述的失效可能本质上是该体系在小扭转角下的本征特性，即使在无超导性或莫特能隙的情况下亦然。