Nat. Mater：扭曲三層石墨烯中強關聯相的狄拉克譜

【導讀】

量子相位的基本特征通常以間隙開口的形式出現，這意味著能帶拓撲、電子關聯和基本激發的相變。在平帶moiré系統中，最近出現了一個研究強關聯電子的穩定和可調的平臺，發現了關聯絕緣體超導和拓撲陳絕緣體的奇異帶隙量子態。特別是，最近實現的魔角θ≈1.5°(MATTG)的鏡像對稱扭曲三層石墨烯系統已經發展成為一個有趣的新平臺。然而，它的能譜包含一個共存的moiré平帶和一個陡峭的狄拉克錐，這使得檢測相關誘導的絕緣狀態非常困難，因為通過狄拉克錐的多波段傳輸掩蓋了這些狀態。明確檢測和量化MATTG平帶中的非平凡帶隙態需要一種新技術，可以選擇性地解開纏繞帶中的電子。

【成果掠影】

近日，巴塞羅那科學技術學院Dmitri K. Efetov教授展示了一種光譜技術，該技術通過驅動狄拉克錐-朗道能級和平帶能隙之間的帶交叉來分離交織帶，并量化MATTG中關聯態的能隙和陳數C。揭示了在ν = 2和3的整數莫爾單元填充下C = 0的硬關聯能隙，并揭示了在分數填充ν = 5/3和11/3下源自范霍夫奇點的電荷密度波態。此外，證明了電荷中性和ν = 2時位移場驅動的一級相變，這與理論上的強耦合分析一致，意味著C2T對稱性破缺。總的來說，這些特性建立了MATTG的不同的電可調諧相圖，并為研究包含陡帶和平帶的其他相關系統提供了途徑。相關成果以“Dirac spectroscopy of strongly correlated phases in twisted trilayer graphene”發表在Nature Materials上。

【核心創新點】

本研究建立了魔角扭轉三層石墨烯MATTG的各種電調諧相圖，為研究其他相關系統提供了一條新途徑

【數據概況】

圖1:MATTG平帶的帶交叉和零陳數。?2022 Springer Nature

a、 雙門控MATTG設備示意圖。

b、 D = 0 V nm^?1處(左)和D = 0.5 V nm^?1處(右)的單粒子帶結構。

c、 D-LLs和moiré平帶之間的帶交叉示意圖(左)，每個moiré單位晶胞的整數電子填充ν = i (i = ?±1, ±2, ±3)。

d、 e，由零位移場下的縱向電阻R_xx（d）和橫向霍爾電阻R_xy（e）所示的朗道風扇圖。

f，不同磁場B下R_xy的線切割。

圖2:分數填充態ν = 5/3和11/3時的電荷密度波。?2022 Springer Nature

a，通過Hartree-Fock模擬，得到了ν = 2在moiré布里淵帶中價帶的相互作用帶結構。

b，從T = 0.1 K到T = 10 K，在b = 0.5 T的不同溫度下，霍爾電阻R_xy與電荷填充的關系。

c，由縱向電阻R_xx(上)和R_xy線跡(下)顯示的ν = 4附近的朗道扇圖。

圖3：在v = 2時提取交互作用驅動的間隙。?2022 Springer Nature

a，低磁場下的量子振蕩，縱向電阻R_xx和橫向霍爾電阻R_xy在不同位移場下的表現。

b，通過調諧載流子密度和垂直磁場測量間隙的說明性原理圖，其中DOS為態密度。

c，提取了相對于第0個D-LL和相關間隙Δ^f (ν = 2)的帶邊化學勢作為平帶位移場的函數。

圖4:位移場誘導相變。?2022 Springer Nature

a,b，橫向霍爾電阻R_xy (a)和縱向電阻率ρ (b)與ν與D的顏色圖。

c， ρ與D在ν = 2填充時，顯示了從金屬態到間隙態的轉變。

d，描述臨界位移場D_c1, D_c2, D_c3的示意圖，它標志著不同多體狀態之間的過渡。

e，數值Hartree-Fock模擬的競爭基態的半金屬(SM)，谷極化(VP)和克雷默谷間相干(KIVC)與谷霍爾(VH)狀態相比的能量差。

【成果啟示】

總之，本研究在MATTG中提出了一種狄拉克光譜，用于揭示和量化多體電子狀態，特別是在整數或分數填充處具有零陳數的相關狀態。這種光譜學還揭示了位移場中奇異相變和復雜相關帶結構的演變。該工作還有助于在相關絕緣體和附近的非常規超導體之間架起橋梁，并為研究其他具有陡帶和平帶的扭曲多層石墨烯中的相關狀態提供了途徑。

參考文獻：Shen, C., Ledwith, P.J., Watanabe, K. et al. Dirac spectroscopy of strongly correlated phases in twisted trilayer graphene. Nat. Mater. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01428-6

本文由春國供稿。