[論文レビュー] A new flavor of correlation and superconductivity in small twist-angle trilayer graphene

Phum Siriviboon, Jiangxiazi Lin+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Graphene research and applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、小さなねじれ角（1.25°–1.38°）を有する三層グラフェン（1.25°–1.38°）において、強い電子相関の新しい秩序を明らかにした。ここでは、幅の狭いバンドが安定した超伝導と多数の分数量子化状態を宿しており、従来のフレーバー極化状態の階層に挑戦する。線形T依存性を示さない抵抗率と分数量子化状態の優位性は、長距離効果的クーロン相互作用を示唆し、スピン・バリエーション極化を超える、新たなモアレ物理学の顔を示している。

ABSTRACT

When layers of graphene are rotationally misaligned by the magic angle, the moiré superlattice features extremely flat bands. Due to the enhanced density of states, the Coulomb interaction induces a variety of instabilities. The most prominent occur at integer filling and are therefore commonly attributed to spontaneous polarization of the moiré unit cell's `flavor' degrees of freedom -- spin, valley, and the flat-band degeneracy. As the dominant member of the hierarchy, these correlated states are thought to crucially determine further instabilities at lower energy scales, such as superconductivity and weaker incompressible states at fractional filling. In this work, we examine the behavior of twisted trilayer graphene in a window of twist angle around $1.3^{\circ}$, well below the expected magic angle of $1.55^{\circ}$. In this small twist angle regime, we find surprisingly narrow bands, which are populated with both an abundance of correlation-driven states at fractional filling as well as robust superconductivity. The absence of linear-in-$T$ resistivity without significant reduction of the superconducting transition temperature, provides insights into the origin of both phenomena. Most remarkably, the hierarchy between integer and fractional filling is absent, indicating that flavor polarization does not play a governing role. The prominence of fractional filling in the small twist angle regime also points towards a longer-range effective Coulomb interaction. Combined, our results shed new light on outstanding questions in the field, while establishing the small twist angle regime as a new paradigm for exploring novel flavors of moiré physics.

研究の動機と目的

• 1.55°のマジック角よりはるかに小さいねじれ角（約1.3°）におけるねじれ三層グラフェン（tTLG）の電子的性質を調査すること。
• 2. マジック角付近のフラットバンドとは異なり、この小さなねじれ角領域でも強い相関状態および超伝導が維持されるかを特定すること。
• 3. モアレ系における相関不安定化を支配するとされるフレーバー極化（スピン、バリエーション、軌道）の仮定を疑うこと。
• 4. 長距離クーロン相互作用が分数量子化状態および安定な超伝導を可能にする役割を調査すること。
• 5. この小さなねじれ角領域を、2次元ファンデルワールスヘテロ構造における非代替的相関および超伝導を研究するための新しいパラダイムとすること。

提案手法

• 1.25°～1.50°のねじれ角を有する剥離された鏡像対称型ねじれ三層グラフェン（tTLG）デバイスの作製と電気的輸送測定。
• 2. モアレ充填度（νtTLG）および磁場をパラメータとして、縦抵抗（Rxx）およびホール抵抗（Rxy）を測定し、相関絶縁状態および超伝導転移を同定。
• 3. 双電ゲートによるバックゲートを用い、モアレバンド構造全域で化学ポテンシャルとキャリア密度を制御。
• 4. 抵抗の温度依存性を分析し、超伝導転移温度（Tc）を抽出するとともに、線形T依存性の有無を評価。
• 5. 継続的モデルを用いて、さまざまなねじれ角におけるバンド構造を理論的モデリングし、超フラットバンドの出現を確認。
• 6. フレーバー極化および非フレーバー極化理論の予測と、実験的シグナチャー（例：ホール密度のジャンプ、抵抗の異常）を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.55°のマジック角より顕著に小さいねじれ角における三層グラフェンでは、幅の狭いバンドと強い電子相関が維持されるか？
• RQ2 2. 線形T依存性を示さない状況においても、小ねじれ角で観測される安定な超伝導の起源は何か？
• RQ3 3. この領域における相関状態を支配するのは、フレーバー自由度（スピン、バリエーション、軌道）のどの程度か？
• RQ4 4. なぜ分数量子化状態が、予想される整数量子化の階層とは反対に、この小さなねじれ角領域で顕著に現れるのか？
• RQ5 5. この領域における有効クーロン相互作用はどのようにスケーリングされるのか？そして、電子相関の性質に何を示唆するか？

主な発見

• 1.30°–1.38°のねじれ角で、マジック角（1.55°）付近のものよりも狭いバンド幅が観測され、電子相関の増強を示唆している。
• 1.25°のねじれ角でさえも、Tcが2 Kを超える安定な超伝導が観測され、線形T依存性の欠如にもかかわらずTcの著しい低下は認められない。
• 分数量子化状態が多数存在し、安定しており、従来のフレーバー極化に起因する整数量子化優位の階層とは矛盾する。
• 明確な整数量子化階層の欠如と超伝導の持続は、この領域でフレーバー極化が支配的役割を果たさないことを示唆している。
• 分数量子化状態の顕著さと線形T依存性の欠如は、長距離効果的クーロン相互作用を示唆し、フレーバー極化を超える新しい相関物理学の顔を示している。
• 小さなねじれ角領域は、標準的なモアレ物理学フレームワークを超えた、非代替的超伝導および相関効果を研究するための明確なプラットフォームとして浮上している。