Heavy fermion phase diagram in magic-angle twisted trilayer graphene

Résumé technique : Diagramme de phase des fermions lourds dans le graphène trilatère à angle magique

Problème et contexte
Les superréseaux moirés bidimensionnels dotés de bandes plates sont apparus comme une plateforme polyvalente pour l'exploration des systèmes électroniques fortement corrélés, incluant la supraconductivité non conventionnelle et les isolants corrélés. Si le graphène bilatère à angle magique (MATBG) a démontré la formation de bandes plates topologiques par l'hybridation d'électrons localisés de type $f$ et d'électrons itinérants de type $c$, il manque de la tunabilité supplémentaire requise pour émuler pleinement le diagramme de phase des fermions lourds. Les réseaux Kondo de terres rares conventionnels présentent un état fondamental qui évolue via la compétition entre l'effet Kondo (écrantage des moments localisés) et l'interaction de Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) (médiation de l'ordre magnétique). Le graphène trilatère à angle magique (MATTG) offre une opportunité unique de simuler cette physique de manière plus complète. Contrairement au MATBG, le MATTG héberge à la fois des bandes plates et un ensemble de bandes de Dirac. La présence de ces bandes de Dirac fournit des électrons $c$ itinérants supplémentaires et, surtout, permet une tunabilité in-situ sans précédent via un champ de déplacement perpendiculaire ($D$). Cette étude aborde le défi de cartographier expérimentalement le diagramme de phase complet des fermions lourds dans un système 2D, en investiguant spécifiquement le passage continu (crossover) entre les états métalliques magnétiques et de fermions lourds ainsi que les phénomènes critiques quantiques associés.

Méthodologie
Les chercheurs ont fabriqué des dispositifs MATTG de haute qualité, avec double grille de graphite, en utilisant la méthode de transfert par voie sèche. Les dispositifs comportent trois couches de graphène adjacentes tournées selon une séquence alternée avec des angles d'environ 1,52° (Dispositif D1) et 1,45° (Dispositif D2). La symétrie de miroir verticale de la structure produit une structure de bandes unique comprenant des bandes plates de type MATBG et des bandes de Dirac provenant de la monocouche additionnelle.

L'approche expérimentale a impliqué :

1. Caractérisation du transport : Mesure systématique de la résistance longitudinale ($R_{xx}$) et de la résistance de Hall ($R_{xy}$) en fonction du facteur de remplissage ($\nu$), du champ de déplacement ($D$) et de la température ($T$).
2. Dépendance au champ magnétique : Analyse des oscillations de Shubnikov-de Haas (SdH) et des états de l'effet Hall quantique pour déterminer la masse effective ($m^*$), la densité de porteurs et la topologie de la surface de Fermi.
3. Réglage par champ : Utilisation du champ de déplacement pour ajuster continuellement l'hybridation entre les électrons de bande plate localisés et les électrons de Dirac itinérants, contrôlant ainsi efficacement la force du couplage Kondo.
4. Analyse des données : Extraction des températures caractéristiques (température de Néel $T_N$, température d'écrantage Kondo $T^*$ et onset du liquide de Fermi lourd $T_{HFL}$) à partir de la dépendance en température de la résistance et de ses dérivées. L'analyse par Transformée de Fourier Rapide (FFT) des oscillations SdH a été utilisée pour suivre l'évolution de la surface de Fermi.

Résultats clés
L'étude démontre avec succès un diagramme de phase de fermions lourds réglable par voie électrique dans le MATTG au facteur de remplissage $\nu = 3$ :

• Identification de l'état de fermion lourd : À un champ de déplacement élevé ($D = 0,9$ V nm$^{-1}$), le système présente une dépendance logarithmique de la résistance en température ($R_{xx} \propto \ln T$) aux hautes températures, indiquant une diffusion par renversement de spin via l'effet Kondo. À basse température ($T < 10$ K), le système entre dans un régime de liquide de Fermi ($R_{xx} = R_0 + AT^2$). Le coefficient $A$ est augmenté d'un facteur d'environ 33 par rapport au régime sans bande plate, ce qui correspond à une augmentation de la masse effective à $m^* \sim 2m_0$.
• Phase de semi-métal antiferromagnétique : À de faibles champs de déplacement ($D \approx 0$ V nm$^{-1}$), le système présente un comportement semi-métallique avec une chute de la résistance à basse température, attribuée à la suppression de la diffusion par désordre de spin. Les mesures de susceptibilité magnétique suivent la loi de Curie-Weiss avec une température de Weiss négative ($\theta_C = -115$ K), indiquant des interactions antiferromagnétiques prédominantes. Une température de Néel $T_N \approx 15$ K est identifiée.
• Point critique quantique (QCP) : À mesure que le champ de déplacement augmente, l'ordre antiferromagnétique est supprimé ($T_N \to 0$), et une nouvelle température caractéristique $T^*$ (onset de l'écrantage Kondo) émerge. Près d'un champ de déplacement critique $D_c \approx 0,5$ V nm$^{-1}$, le coefficient $A$ et la masse effective présentent un comportement divergent, signalant une transition de phase quantique continue.
• Reconstruction de la surface de Fermi : La transition est accompagnée d'une reconstruction de la surface de Fermi. Dans la phase de semi-métal antiferromagnétique à faible $D$, la surface de Fermi est « petite », composée uniquement d'électrons de Dirac itinérants. Dans la phase de liquide de fermions lourds à haut $D$, la surface de Fermi devient « grande », incorporant les moments localisés dans le volume de Fermi via la formation de singulets de Kondo. Ceci est mis en évidence par l'émergence de nouvelles fréquences d'oscillations SdH (passant de ~1,1 T à 11,5 T) et un renversement de signe du coefficient de Hall.
• Diagramme de phase : Les auteurs construisent un diagramme de Doniach réglable par grille présentant une phase de semi-métal antiferromagnétique à bas $D$ et une phase de métal de fermions lourds paramagnétique à haut $D$, séparées par une région critique quantique.

Signification et affirmations
L'article affirme établir le MATTG comme une plateforme hautement ajustable pour explorer les phases quantiques corrélées dans la limite bidimensionnelle. Les affirmations clés sont :

• Réalisation d'un réseau Kondo ajustable : Ce travail démontre la capacité de régler continuellement l'interaction entre les moments localisés et les électrons itinérants via un champ électrique, un exploit impossible dans les réseaux Kondo massifs conventionnels ou dans le MATBG seul.
• Observation d'un point critique quantique 2D : L'étude fournit une preuve expérimentale directe d'une transition de phase quantique continue d'un semi-métal antiferromagnétique vers un métal de fermions lourds paramagnétique, caractérisée par une divergence de la masse effective et une reconstruction de la surface de Fermi.
• Polyvalence des hétérostructures moirées : Les résultats suggèrent que les hétérostructures moirées peuvent servir d'arène polyvalente pour l'exploration de phénomènes émergents au-delà des matériaux massifs, incluant la supraconductivité non conventionnelle potentielle dans le régime des fermions lourds.
• Mécanisme de supraconductivité non conventionnelle : En cartographiant le diagramme de Doniach généralisé, ce travail vise à éclairer les mécanismes derrière la supraconductivité non conventionnelle, qui émerge souvent près des points critiques quantiques dans les systèmes de fermions lourds.

Les auteurs maintiennent un ton modeste concernant les implications futures, notant que bien que des diagrammes de phase similaires (incluant la supraconductivité de fermions lourds) soient attendus dans d'autres systèmes moirés 2D possédant des bandes plates et dispersives coexistantes, le présent travail se concentre sur l'établissement du diagramme de phase fondamental des fermions lourds dans le MATTG.