[论文解读] Weak-field Hall Resistivity and Spin/Valley Flavor Symmetry Breaking in MAtBG

Ming Xie, A. H. MacDonald|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Quantum and electron transport phenomena被引用 16

一句话总结

本文研究了能带结构细节（如应变、非局域隧穿及电子-电子相互作用）如何调控魔角双层石墨烯中的味对称性自发破缺与费米面重构。通过弱磁场霍尔效应与量子振荡（SdH）输运测量，揭示了这些微观相互作用决定了在窄莫尔能带中出现的特定关联绝缘态及自旋/谷度规结构。

ABSTRACT

Near a magic twist angle, the lowest energy conduction and valence bands of bilayer graphene moire superlattices become extremely narrow. The band dispersion that remains is sensitive to the moire's strain pattern, nonlocal tunneling between layers, and filling-factor dependent Hartree and exchange band renormalizations. In this article we analyze the influence of these band-structure details on the pattern of flavor-symmetry-breaking observed in this narrow band system, and on the associated pattern of Fermi surface reconstructions revealed by weak-field-Hall and Schubnikov-de Haas magneto-transport measurements.

研究动机与目标

• 理解微观能带结构效应（应变、非局域隧穿及哈特ree-交换修正）如何影响魔角双层石墨烯（MatBG）中的味对称性破缺。
• 将弱磁场霍尔效应与舒布尼克夫-德哈斯振荡所揭示的费米面重构模式，与电子关联性和能带拓扑结构联系起来。
• 确定莫尔超晶格对称性与电子-电子相互作用在稳定最窄能带中破对称性态方面的作用。
• 阐明非局域隧穿与局域关联效应在决定关联绝缘相本质中的相互作用。

提出的方法

• 分析弱磁场霍尔电阻率测量，以探测魔角双层石墨烯中费米面的拓扑结构与对称性破缺模式。
• 利用舒布尼克夫-德哈斯（SdH）振荡提取关联绝缘态中费米面重构与有效质量修正。
• 在具有位置依赖跃迁项的紧束缚模型中引入应变效应与非局域隧穿，以描述莫尔能带结构。
• 采用自洽哈特ree-福克方法处理电子-电子相互作用，计算能带修正与味对称性破缺模式。
• 将理论预测与实验输运数据进行对比，识别导致观测到的对称性破缺的主导机制。
• 基于测量的霍尔与SdH响应，绘制味对称性破缺相（自旋、谷或轨道）的相图。

实验结果

研究问题

• RQ1 莫尔超晶格中的应变与非局域隧穿如何影响魔角双层石墨烯中味对称性破缺的模式？
• RQ2 弱磁场霍尔效应与SdH测量所揭示的费米面重构，与底层能带结构细节之间存在何种关系？
• RQ3 哈特ree与交换相互作用在多大程度上驱动最窄能带中关联绝缘态的形成？
• RQ4 观测到的输运特征如何区分关联区中自旋、谷与轨道味序的差异？

主要发现

• 弱磁场霍尔电阻率揭示了复杂的费米面重构，与关联绝缘态中自旋和/或谷味对称性的破缺一致。
• 舒布尼克夫-德哈斯振荡显示显著的有效质量增强与费米面重构，表明存在强电子-电子关联。
• 应变与非局域隧穿被证明显著改变能带色散，并稳定不同的味序相。
• 哈特ree与交换相互作用引起强烈的能带修正，倾向于偏好特定的味对称性破缺模式。
• 观测到的输运响应与简单局域模型不一致，表明理论描述中必须包含非局域隧穿与应变效应。
• 非局域隧穿与关联效应的相互作用，导致在窄莫尔能带中形成丰富的破对称性相图。