[论文解读] Heavy quasiparticles and cascades without symmetry breaking in twisted bilayer graphene

Anushree Datta, M. J. Calderón+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2023

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

该论文提出，扭曲双层石墨烯中的重费米子准粒子与谱级联现象源于正常态中的强局域关联，而无需引入对称性破缺。通过在8轨道模型上采用DMFT+Hartree方法，该研究在捕捉频率依赖的自能以及与脆弱拓扑相关的动量依赖非相干权重的基础上，重现了谱权重的级联流动、远端能带能量的振荡以及非对称压缩率跳跃等关键实验特征。

ABSTRACT

Among the variety of correlated states exhibited by twisted bilayer graphene, cascades in the spectroscopic properties and in the electronic compressibility occur over larger ranges of energy, twist angle and temperature compared to other effects. This suggests a hierarchy of phenomena. Using combined dynamical mean-field theory and Hartree calculations, we show that the spectral weight reorganisation associated with the formation of local moments and heavy quasiparticles can explain the cascade of electronic resets without invoking symmetry breaking orders. The phenomena reproduced here include the cascade flow of spectral weight, the oscillations of remote band energies, and the asymmetric jumps of the inverse compressibility. We also predict a strong momentum differentiation in the incoherent spectral weight associated with the fragile topology of twisted bilayer graphene.

研究动机与目标

• 解释扭曲双层石墨烯（TBG）中无需引入对称性破缺序的级联式谱权重重分布。
• 确定正常态中的强局域关联是否足以解释谱级联与压缩率跳跃等实验特征。
• 探究脆弱拓扑在塑造TBG中动量分辨非相干谱权重分布中的作用。
• 通过最小关联模型重现关键谱学特征——能带振荡、准粒子峰以及逆压缩率跳跃。

提出的方法

• 采用DMFT+Hartree近似处理AA p轨道上的局域库仑相互作用（U），其中局域电子关联通过动力学平均场理论处理，而非局域及轨道间相互作用则在Hartree等级处理。
• 采用每谷和每自旋的8轨道模型，拟合θ = 1.08°时TBG的低能能带结构，Wannier函数局域于摩尔超原胞。
• 实施双重自洽循环：首先对AA p轨道进行频率依赖自能的DMFT迭代，随后根据更新的轨道占据数进行Hartree对局域势的更新。
• 通过为等价轨道施加相同的自能和格林函数，强制实现对称性，以抑制自发对称性破缺。
• 通过最大熵法对Matsubara自能进行解析延拓，计算谱函数。
• 在DMFT框架内计算局域化学势以获得逆压缩率，与实验中的扫描隧道显微镜（STM）和静电探测（SET）测量结果匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭曲双层石墨烯中观测到的谱权重级联现象是否可由正常态中的强局域关联解释，而无需对称性破缺？
• RQ2 远端能带能量的振荡以及逆压缩率的非对称跳跃在多大程度上源于局域多体效应，而非有序相？
• RQ3 脆弱拓扑如何影响TBG中动量分辨的非相干谱权重分布？
• RQ4 强关联AA p轨道与弱关联lc轨道之间的杂化在塑造谱学特征中起何种作用？
• RQ5 DMFT+Hartree方法能否在有限温度下定量重现STM和SET实验中观测到的关键谱学特征？

主要发现

• DMFT+Hartree计算重现了从~44.5 meV向ω = 0方向流动的非相干谱权重级联，且在整数填充ν处发生重置，与STM观测一致。
• 由于掺杂依赖的自能和Hartree位移，远端能带（特别是平带区域）的能量振荡自然重现。
• SET实验中观测到的逆压缩率非对称跳跃，源于频率依赖自能与谱权重重分布，而无需对称性破缺。
• 该模型预测了非相干谱权重在动量空间中的显著差异，其根源与摩尔能带结构的脆弱拓扑有关。
• 谱权重重分布由正常态中局域磁矩的形成与重费米子准粒子的出现驱动，即使在T = 6 K时对称性破缺态被抑制，该机制依然成立。
• 拟合模型中Wannier态与连续模型的重叠度超过99%，验证了8轨道哈密顿量在描述低能物理中的准确性。