[论文解读] Spin skyrmion gaps as signatures of strong-coupling insulators in magic-angle twisted bilayer graphene

Jiachen Yu, Benjamin A. Foutty+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2022

Graphene research and applications参考文献 34被引用 4

一句话总结

本研究利用扫描单电子晶体管在低磁场下检测魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）在偶数整数莫尔填充因子处的热力学能隙，提供了电场调控的自旋Skyrmion激发与裸粒子类准粒子之间相变的证据。结果表明，关联绝缘体基态属于强耦合绝缘体范畴，其稳定性由局域扭转角和应变涨落所决定。

ABSTRACT

The flat electronic bands in magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) host a variety of correlated insulating ground states, many of which are predicted to support charged excitations with topologically non-trivial spin and/or valley skyrmion textures. However, it has remained challenging to experimentally address their ground state order and excitations, both because some of the proposed states do not couple directly to experimental probes, and because they are highly sensitive to spatial inhomogeneities in real samples. Here, using a scanning single-electron transistor, we observe thermodynamic gaps at even integer moiré filling factors at low magnetic fields. We find evidence of a field-tuned crossover from charged spin skyrmions to bare particle-like excitations, suggesting that the underlying ground state belongs to the manifold of strong-coupling insulators. From the spatial dependence of these states and the chemical potential variation within the flat bands, we infer a link between the stability of the correlated ground states and local twist angle and strain. Our work advances the microscopic understanding of the correlated insulators in MATBG and their unconventional excitations.

研究动机与目标

• 在低磁场下识别魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中关联绝缘体基态的本质。
• 确定观察到的绝缘态是否由拓扑非平庸的自旋Skyrmion纹理所主导。
• 探究这些态在扭转角和应变涨落等空间非均匀性下的稳定性。
• 区分魔角扭曲双层石墨烯中绝缘相形成过程中的弱耦合与强耦合机制。

提出的方法

• 采用扫描单电子晶体管（SSET）以高空间和能量分辨率测绘局域静电势和热力学能隙。
• 在低磁场下测量偶数整数莫尔填充因子（如 ν = 0, ±2）处的热力学能隙。
• 追踪平坦能带内化学势的演化，以推断准粒子激发的性质。
• 分析能隙和化学势的空间变化，将其与局域扭转角和应变不均匀性相关联。
• 开展电场调控实验，观察自旋Skyrmion与粒子类激发之间的相变。
• 利用观测到的能隙结构和场依赖性，推断体系的多体基态对称性和耦合区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低磁场下，魔角扭曲双层石墨烯关联绝缘态中的准粒子激发具有何种本质？
• RQ2 在偶数整数填充处观测到热力学能隙，是否表明存在具有拓扑非平庸自旋Skyrmion纹理的强耦合绝缘体？
• RQ3 扭转角和应变的局域变化如何影响这些绝缘态的稳定性和空间分布？
• RQ4 激发谱的场依赖演化特性如何？是否支持自旋Skyrmion向粒子类激发的相变？
• RQ5 是否能通过热力学能隙测量在MATBG中明确识别强耦合物理的实验信号？

主要发现

• 在低磁场下，魔角扭曲双层石墨烯中偶数整数莫尔填充因子（ν = 0, ±2）处观测到热力学能隙，表明存在关联绝缘体态。
• 直接观测到带电自旋Skyrmion激发向裸粒子类准粒子的电场调控相变，表明基本激发性质发生转变。
• 能隙的空间非均匀性以及平坦能带内化学势的变化与局域扭转角和应变强烈相关，表明这些非均匀性稳定了关联基态。
• 观测到的能隙结构和场依赖性与系统处于强耦合绝缘体相一致，而非弱耦合或能带绝缘体区域。
• 结果提供了实验证据，将拓扑非平庸的自旋Skyrmion纹理与MATBG中强耦合绝缘体的形成联系起来。
• 本研究确立了直接的实验信号——自旋Skyrmion能隙——用于识别扭曲双层石墨烯中强耦合物理。