物性物理学：魔法角グラフェンにおける相転移のカスケードとディラック回復

ねじれ角が魔法角に近い2層グラフェンは、絶縁相、磁性相、超伝導相を発現させる豊かな電子相関物理を示す。この系の電子バンドは、魔法角付近で著しく狭くなり、対称性を破るさまざまな基底状態につながり得ることが予測されている。今回我々は、局所的な電子圧縮率の測定を用いて、こうした相関相が、一連の異常なバンド分布を持つ高エネルギー状態から生じることを示す。系にキャリアを加えると、スピン自由度とバレー自由度に対応する4つの電子「フレーバー」が等しく充填されなくなる。代わりに、それらはモアレ格子の整数充填率付近で電子圧縮率の非対称で大きなとびとして現れる、一連の急峻な相転移を通して占有される。各転移では、1つのスピン/バレー・フレーバーが、部分充填されたフレーバーから全てのキャリアを取り込み、他のフレーバーを電荷中性点近傍に「リセット」する。結果として、電荷中性近傍で観測されたディラック的な特徴が、それぞれの整数充填後に再び現れる。充填率1近傍の化学ポテンシャルの面内磁場依存性の測定によって、大きな自発磁化が明らかになり、対称性の破れのカスケードというこの描像がさらに裏付けられた。一連の相転移とディラック回復（Dirac revival）は、超伝導状態や相関絶縁状態の開始温度よりもはるかに高い温度で観測された。これは、魔法角グラフェンの物理では、今回報告した電子フレーバー対称性の強い破れとディラック的電子特性の回復を伴う状態が重要であり、より脆弱な超伝導基底状態と相関絶縁基底状態を発現する母状態を形成することを示している。

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