[论文解读] The Thermoelectric Effect and Its Natural Heavy Fermion Explanation in Twisted Bilayer and Trilayer Graphene

Dumitru Călugăru, Haoyu Hu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2024

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本文提出拓扑重费米子（THF）模型，以解释扭曲双层和三层石墨烯（TBG）中非传统的热电行为，其中局域化的、关联的f电子与巡游的c电子共存。该模型将正填充分数下负的、锯齿形振荡的塞贝克系数归因于寿命不对称性和强关联效应，由于c电子具有更长的寿命和更强的色散，主导了输运过程，成功匹配了新的实验数据。

ABSTRACT

We study the interacting transport properties of twisted bilayer graphene (TBG) using the topological heavy-fermion (THF) model. In the THF model, TBG comprises localized, correlated $f$-electrons and itinerant, dispersive $c$-electrons. We focus on the Seebeck coefficient, which quantifies the voltage difference arising from a temperature gradient. We find that the TBG's Seebeck coefficient shows unconventional (strongly-interacting) traits: negative values with sawtooth oscillations at positive fillings, contrasting typical band-theory expectations. This behavior is naturally attributed to the presence of heavy (correlated, short-lived $f$-electrons) and light (dispersive, long-lived $c$-electrons) electronic bands. Their longer lifetime and stronger dispersion lead to a dominant transport contribution from the $c$-electrons. At positive integer fillings, the correlated TBG insulators feature $c$- ($f$-)electron bands on the electron (hole) doping side, leading to an overall negative Seebeck coefficient. Additionally, sawtooth oscillations occur around each integer filling due to gap openings. Our results highlight the essential importance of electron correlations in understanding the transport properties of TBG and, in particular, of the lifetime asymmetry between the two fermionic species (naturally captured by the THF model). Our findings are corroborated by new experiments in both twisted bilayer and trilayer graphene, and show the natural presence of strongly-correlated heavy and light carriers in the system.

研究动机与目标

• 解释扭曲双层和三层石墨烯（TBG）中非传统的热电输运行为，特别是正填充分数下的负塞贝克系数和锯齿形振荡。
• 解决常规能带理论在描述扭曲二维材料中强关联电子体系时的局限性。
• 确立拓扑重费米子（THF）模型作为描述TBG中重费米子（f电子）与轻费米子（c电子）准粒子共存的自然框架。
• 将理论预测与近期关于TBG热电功率的实验测量结果相联系，验证电子关联和寿命不对称性的作用。

提出的方法

• 采用拓扑重费米子（THF）模型，将TBG视为局域化、关联的f电子与巡游、色散的c电子的系统。
• 利用THF框架计算塞贝克系数随填充分数的变化，纳入f电子与c电子之间的电子关联效应和寿命差异。
• 通过在整数填充分数处打开能隙，对系统的电子结构进行建模，从而在塞贝克系数中产生锯齿形振荡。
• 通过准粒子寿命和能带色散对输运贡献进行加权分析，由于c电子具有更长的寿命和更强的色散，其主导输运过程。
• 将理论预测与arXiv:2402.11749和arXiv:2402.12296中的实验数据进行比较，以验证模型的准确性。
• 采用5+106页的理论框架，包含3+36幅图表和6张表格，系统研究不同填充分数和关联强度下的输运响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何扭曲双层石墨烯中的塞贝克系数在正整数填充分数下呈现负值并伴随锯齿形振荡，与标准能带理论预测相反？
• RQ2 电子关联效应以及重f电子与轻c电子之间的寿命不对称性，如何影响扭曲二维材料中的热电输运？
• RQ3 拓扑重费米子（THF）模型在多大程度上能定量再现扭曲双层和三层石墨烯中的实验热电功率测量结果？
• RQ4 在整数填充分数处的能隙打开，在多大程度上导致了观测到的塞贝克系数锯齿形振荡？
• RQ5 尽管存在强关联的f电子，c电子如何因其更长的寿命和更强的色散而在输运中占主导地位？

主要发现

• 在扭曲双层石墨烯中，塞贝克系数在正填充分数下呈现负值并伴随锯齿形振荡，该行为与标准能带理论预测不一致，但可由THF模型自然解释。
• 尽管f电子关联更强，输运的主导贡献仍来自c电子，因其具有更长的寿命和更强的色散。
• 在整数填充分数处，电子掺杂侧形成c电子能带，空穴掺杂侧形成f电子能带，导致整体塞贝克系数为负。
• 锯齿形振荡围绕每个整数填充分数出现，源于能隙打开，这与THF模型对关联绝缘态的描述一致。
• THF模型的理论预测与扭曲双层和三层石墨烯中的新实验测量结果高度一致，证实了强关联重费米子与轻费米子载流子的存在。
• 该模型成功解释了f电子与c电子之间的寿命不对称性，这是解释非传统热电响应的关键。