[论文解读] Universal moiré nematic phase in twisted graphitic systems

Carmen Rubio-Verdú, Simon Turkel+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2020

Graphene research and applications参考文献 11被引用 10

一句话总结

本研究通过扫描隧道显微镜（STM）在扭转双层双层石墨烯中识别出一种普遍存在的摩尔向列相，揭示了电子-电子相互作用导致的仅在平坦能带内出现的C3对称性破缺。向列序即使在非整数填充情况下亦能出现，是摩尔周期尺度上的涌现现象，而非原子晶格尺度上的特性，表明平坦能带摩尔材料中存在一种普遍的不稳定性。

ABSTRACT

Graphene moiré superlattices display electronic flat bands. At integer fillings of these flat bands, energy gaps due to strong electron-electron interactions are generally observed. However, the presence of other correlation-driven phases in twisted graphitic systems at non-integer fillings is unclear. Here, we report scanning tunneling microscopy (STM) measurements that reveal the existence of threefold rotational (C3) symmetry breaking in twisted double bilayer graphene (tDBG). Using spectroscopic imaging over large and uniform areas to characterize the direction and degree of C3 symmetry breaking, we find it to be prominent only at energies corresponding to the flat bands and nearly absent in the remote bands. We demonstrate that the C3 symmetry breaking cannot be explained by heterostrain or the displacement field, and is instead a manifestation of an interaction-driven electronic nematic phase, which emerges even away from integer fillings. Comparing our experimental data with a combination of microscopic and phenomenological modeling, we show that the nematic instability is not associated with the local scale of the graphene lattice, but is an emergent phenomenon at the scale of the moiré lattice, pointing to the universal character of this ordered state in flat band moiré materials.

研究动机与目标

• 研究扭转石墨体系中平坦能带非整数填充下的关联驱动电子相。
• 确定在扭转双层双层石墨烯（tDBG）中观测到的三重旋转（C3）对称性破缺的起源。
• 区分应变、位移场与电子-电子相互作用作为对称性破缺的来源。
• 确定向列序是摩尔尺度上的涌现现象，还是与局域原子结构相关。
• 通过实验与理论分析相结合，证明平坦能带摩尔材料中向列相的普遍性。

提出的方法

• 采用大范围、均匀区域的扫描隧道显微镜（STM）与谱成像技术，绘制空间与能量依赖的C3对称性破缺分布。
• 测量摩尔超晶格上的局域电子结构，以分离平坦能带与远端能带的贡献。
• 将实验数据与微观及现象学模型进行比较，排除应变与位移场作为对称性破缺原因的可能性。
• 运用多体理论建模，确认向列不稳定性源于电子相互作用。
• 在不同电子填充下分析对称性破缺，评估其对载流子密度的依赖性。
• 应用摩尔尺度有效场论，证实向列序的涌现特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非整数填充下，扭转双层双层石墨烯中观测到的三重旋转（C3）对称性破缺由何引起？
• RQ2 C3对称性破缺是源于异质外延应变或位移场等结构效应，还是具有电子起源？
• RQ3 向列序是否仅在整数填充下出现，还是在平坦能带区域的非整数填充下依然存在？
• RQ4 向列不稳定性是否局限于原子尺度，还是作为摩尔超晶格尺度上的涌现现象？
• RQ5 能否将tDBG中的向列相视为平坦能带摩尔材料的普遍特征？

主要发现

• C3对称性破缺强烈局域在平坦能带的能量窗口内，远端能带中则完全缺失，表明其为能带特异性的不稳定性。
• 观测到的对称性破缺无法用异质外延应变或位移场解释，排除了其结构起源的可能性。
• 即使在非整数填充下，向列序依然出现，表明其并非莫特绝缘体现象。
• 向列不稳定性是摩尔长度尺度上的涌现现象，与局部石墨烯晶格无直接关联。
• 理论建模证实向列相由电子相互作用驱动，并在所有平坦能带摩尔材料中具有普遍性。
• 结果确立了普遍摩尔向列相为扭曲石墨体系中一种稳健的、关联驱动的基态。