Nat. Mater：扭曲三层石墨烯中强关联相的狄拉克谱

【导读】

量子相位的基本特征通常以间隙开口的形式出现，这意味着能带拓扑、电子关联和基本激发的相变。在平带moiré系统中，最近出现了一个研究强关联电子的稳定和可调的平台，发现了关联绝缘体超导和拓扑陈绝缘体的奇异带隙量子态。特别是，最近实现的魔角θ≈1.5°(MATTG)的镜像对称扭曲三层石墨烯系统已经发展成为一个有趣的新平台。然而，它的能谱包含一个共存的moiré平带和一个陡峭的狄拉克锥，这使得检测相关诱导的绝缘状态非常困难，因为通过狄拉克锥的多波段传输掩盖了这些状态。明确检测和量化MATTG平带中的非平凡带隙态需要一种新技术，可以选择性地解开缠绕带中的电子。

【成果掠影】

近日，巴塞罗那科学技术学院Dmitri K. Efetov教授展示了一种光谱技术，该技术通过驱动狄拉克锥-朗道能级和平带能隙之间的带交叉来分离交织带，并量化MATTG中关联态的能隙和陈数C。揭示了在ν = 2和3的整数莫尔单元填充下C = 0的硬关联能隙，并揭示了在分数填充ν = 5/3和11/3下源自范霍夫奇点的电荷密度波态。此外，证明了电荷中性和ν = 2时位移场驱动的一级相变，这与理论上的强耦合分析一致，意味着C2T对称性破缺。总的来说，这些特性建立了MATTG的不同的电可调谐相图，并为研究包含陡带和平带的其他相关系统提供了途径。相关成果以“Dirac spectroscopy of strongly correlated phases in twisted trilayer graphene”发表在Nature Materials上。

【核心创新点】

本研究建立了魔角扭转三层石墨烯MATTG的各种电调谐相图，为研究其他相关系统提供了一条新途径

【数据概况】

图1:MATTG平带的带交叉和零陈数。©2022 Springer Nature

a、 双门控MATTG设备示意图。

b、 D = 0 V nm⁻¹处(左)和D = 0.5 V nm⁻¹处(右)的单粒子带结构。

c、 D-LLs和moiré平带之间的带交叉示意图(左)，每个moiré单位晶胞的整数电子填充ν = i (i =  ±1, ±2, ±3)。

d、 e，由零位移场下的纵向电阻R_xx（d）和横向霍尔电阻R_xy（e）所示的朗道风扇图。

f，不同磁场B下R_xy的线切割。

图2:分数填充态ν = 5/3和11/3时的电荷密度波。©2022 Springer Nature

a，通过Hartree-Fock模拟，得到了ν = 2在moiré布里渊带中价带的相互作用带结构。

b，从T= 0.1 K到T= 10 K，在b = 0.5 T的不同温度下，霍尔电阻R_xy与电荷填充的关系。

c，由纵向电阻R_xx(上)和R_xy线迹(下)显示的ν = 4附近的朗道扇图。

图3：在v = 2时提取交互作用驱动的间隙。©2022 Springer Nature

a，低磁场下的量子振荡，纵向电阻R_xx和横向霍尔电阻R_xy在不同位移场下的表现。

b，通过调谐载流子密度和垂直磁场测量间隙的说明性原理图，其中DOS为态密度。

c，提取了相对于第0个D-LL和相关间隙Δ^f(ν = 2)的带边化学势作为平带位移场的函数。

图4:位移场诱导相变。©2022 Springer Nature

a,b，横向霍尔电阻R_xy(a)和纵向电阻率ρ(b)与ν与D的颜色图。

c，ρ与D在ν = 2填充时，显示了从金属态到间隙态的转变。

d，描述临界位移场D_c1, D_c2, D_c3的示意图，它标志着不同多体状态之间的过渡。

e，数值Hartree-Fock模拟的竞争基态的半金属(SM)，谷极化(VP)和克雷默谷间相干(KIVC)与谷霍尔(VH)状态相比的能量差。

【成果启示】

总之，本研究在MATTG中提出了一种狄拉克光谱，用于揭示和量化多体电子状态，特别是在整数或分数填充处具有零陈数的相关状态。这种光谱学还揭示了位移场中奇异相变和复杂相关带结构的演变。该工作还有助于在相关绝缘体和附近的非常规超导体之间架起桥梁，并为研究其他具有陡带和平带的扭曲多层石墨烯中的相关状态提供了途径。

参考文献：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

本文由春国供稿。