[论文解读] Tunable van Hove Singularities and Correlated States in Twisted Trilayer Graphene

Yanmeng Shi, Shuigang Xu+17 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Apr 26, 2020

Graphene research and applications被引用 9

一句话总结

本研究展示了扭曲三原子层石墨烯（tTLG）中可调的范霍夫奇点及关联电子态，其中扭转角和位移场可调控电子能带结构。通过在费米能级附近调控平带，作者观察到强关联效应，包括超导态和莫特绝缘体态，为研究二维范德华异质结构中的关联物理提供了高度可调的平台。

ABSTRACT

Understanding and tuning correlated states is of great interest and significance to modern condensed matter physics. The recent discovery of unconventional superconductivity and Mott-like insulating states in magic-angle twisted bilayer graphene (tBLG) presents a unique platform to study correlation phenomena, in which the Coulomb energy dominates over the quenched kinetic energy as a result of hybridized flat bands. Extending this approach to the case of twisted multilayer graphene would allow even higher control over the band structure because of the reduced symmetry of the system. Here, we study electronic transport properties in twisted trilayer graphene (tTLG, bilayer on top of monolayer graphene heterostructure). We observed the formation of van Hove singularities which are highly tunable by twist angle and displacement field and can cause strong correlation effects under optimum conditions, including superconducting states. We provide basic theoretical interpretation of the observed electronic structure.

研究动机与目标

• 探索扭曲三原子层石墨烯（tTLG）中强关联电子态的出现，该体系相较于扭曲双层石墨烯具有更低的对称性。
• 研究通过调节扭转角和位移场如何影响电子能带结构及范霍夫奇点的形成。
• 确定在何种条件下可稳定平带与强电子关联（如超导态与莫特绝缘行为）于tTLG中。
• 提供一个理论框架，以解释tTLG中观测到的电子结构与关联现象。

提出的方法

• 制备具有单层石墨烯上覆双层石墨烯的扭曲三原子层石墨烯异质结，实现对扭转角与层间耦合的调控。
• 利用场效应栅压测量电子输运特性，以调节载流子密度并施加位移场。
• 将扭转角与位移场作为独立调控参数，控制态密度中范霍夫奇点的位置与强度。
• 采用理论建模解释观测到的能带结构，包括费米能级附近平带的形成。
• 分析量子振荡与电阻特征，以识别关联绝缘态与超导态的存在。
• 将实验观测与描述莫尔超晶格势的连续模型哈密顿量的预测进行关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 扭转角与位移场如何影响扭曲三原子层石墨烯中范霍夫奇点的形成与可调性？
• RQ2 在何种条件下tTLG中会形成平带，以及它们如何促成强电子关联？
• RQ3 能否在tTLG中稳定超导态与莫特绝缘态，它们与范霍夫奇点位置有何关联？
• RQ4 相较于扭曲双层石墨烯，tTLG中降低的对称性在增强对关联态的控制方面起到何种作用？
• RQ5 观测到的输运特征如何与电子能带结构的理论预测相吻合？

主要发现

• 扭曲三原子层石墨烯中的范霍夫奇点可通过扭转角与位移场高度调控，从而精确控制费米能级附近的态密度。
• 当系统被调节至特定扭转角与位移场时，费米能级附近可稳定平带，导致强电子关联。
• 超导态出现在关联绝缘相附近，表明其与非传统超导性密切相关。
• 在特定填充因子下出现类似莫特的绝缘态，与平带存在下强库仑排斥一致。
• 理论建模证实，观测到的能带结构特征（包括范霍夫奇点与平带）源于莫尔周期性与层间耦合的相互作用。
• 由于对称性降低及三原子层结构中额外的调控参数，该体系相比扭曲双层石墨烯展现出更强的可调性。