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了解扭曲石墨烯的分数相关绝缘状态

最近发现魔角扭曲双层石墨烯具有超导性,这激发了整数填充的理论研究。 然而,对部分填充的研究很少。

了解扭曲石墨烯的分数相关绝缘状态

​​​​​​​​​学习: 三分之一填充魔角扭曲双层石墨烯的分数相关绝缘态. 图片来源:橄榄树/Shutterstock.com

发表在 Communications Physics 上的一篇文章介绍了在分数填充时出现的 Wannier 轨道三峰结构的“分数相关绝缘体”状态(ν)n ± 1/3 (与 n 整数)。 这项研究表明,在每个莫尔晶胞中填充三分之一 (1/3) 的电子会导致短程相互作用,从而导致熵增加,这是由于缺陷线引起的晶格不规则导致的“呼吸”自由度.

此外,强相互作用的电子解除了简并并选择了铁磁向列态,打破了 AB/BA 亚晶格对称性。 因此,本工作中提出的分数相关绝缘状态可能会抑制超导性 ν = 2 – 1/3 填充。

魔角扭曲双层石墨烯及其超导性

扭曲双层石墨烯是通过堆叠两个具有特定扭曲角的单层石墨烯制成的(θ)。 在这种结构中,已观察到莫尔图案以更高的周期性出现。

最近,经常报道扭曲的双层石墨烯具有非凡的光学和电子特性,这是莫尔图案发展的结果。 扭曲双层石墨烯的莫尔超晶格中形成的微带中的强电子相互作用使它们成为研究强相关态的迷人平台。

在大多数系统中,当莫尔晶格充满每个莫尔晶胞的整数个电子时,就会出现相关状态。 关于轨道铁磁性、其他同位旋极化和向列倾向的实验结果带来了重大进展。

然而,对部分填充的研究较少探索,尽管相图揭示了部分填充时可能存在的复杂现象,例如在接近 v = 2-1/3 的填充处抑制超导性。

从理论的角度来看,整数填充的兴趣源于魔角扭曲双层石墨烯的复杂性。 此外,实验结果表明,魔角扭曲双层石墨烯呈现出以 Wannier 轨道为中心的三角形超晶格,该超晶格受到 Bloch 波函数的拓扑结构和对称性的阻碍。

或者,波函数的三个波瓣延伸到附近的三个 AA 位点,Wannier 轨道以 AB 或 BA 位点为中心。 这种扩展的 Wannier 轨道使得创建局部模型变得困难,因为它们需要包含相互作用和更远距离的跳跃元素。

三分之一填充魔角扭曲双层石墨烯

先前的研究人员发现,在 ν = 2 – 1/3 时超导电导率下降,这是受铜酸盐中超导率下降的启发,在每个氧化铜平面上相应地部分填充 1/8 个孔。 这种超导性的降低导致系统即使在最低温度下也能绝缘。

本研究的重点是在每个晶胞 ν = 1/3 个电子时,魔角扭曲双层石墨烯中 Wannier 轨道和 Wannier 阻塞的影响。 强耦合限制允许将当前问题映射到平铺问题。

这种映射有助于断言 ν 为 1/3 时基态的广泛简并性,这仅限于短程相互作用。 蒙特卡罗模拟有助于在非接触模型中识别低温下的几个基态,这与预测的广泛退化一致。

与吸附在石墨上的氪相比,仅限于局部相互作用的“无接触”模型的哈密顿量为零,因为翻转线和 Y 形接头不使用能量。 长程密度-密度库仑相互作用不会破坏简并性,因为它由具有相同均匀电荷密度但不同 Wannier 状态布局的状态组成。

结论

总之,本工作揭示了魔角扭曲双层石墨烯中的平移对称分数相关绝缘态机制。 Wannier 阻碍在魔角扭曲石墨烯中的显着影响是由于 n ± 1/3 状态的不可压缩性。

最短的相互作用促进了均匀的电荷分布,其中三分之一的电荷集中在每个 AA 位点,Wannier 轨道的重量分为三个叶,导致分数填充。

这项研究表明,通过将模型与三聚体平铺问题联系起来,仅短期不接触限制就意味着广泛的熵。 铁磁排列受到更远范围的相互作用的青睐,相当于直接交换。

直接交换增加了简并并选择了破坏 AB/BA 亚晶格对称性和 C3 旋转对称。 除了自旋铁磁排列外,扭曲的双层石墨烯还具有 AB/BA 瓦尼尔中心的反铁磁排列。 因此,本研究侧重于交换相互作用和跳跃作为干扰,以获得简并分裂的结果。

参考

张,K.,张,Y.,傅,L.,金,EA。 (2022 年)。 三分之一填充魔角扭曲双层石墨烯的分数相关绝缘状态。 通信物理学. https://www.nature.com/articles/s42005-022-01027-6#Abs1

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