[論文レビュー] Correlated Insulating and Superconducting States in Twisted Bilayer Graphene Below the Magic Angle

Emilio Codecido, Qiyue Wang+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2019

Graphene research and applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、約1.1°のマジック角よりわずかに小さい0.93°のねじれ角を有するねじれ二層グラフェン（tBLG）において、超伝導状態およびモット型絶縁体状態の両方の観測を報告する。研究者たちは、モアリー単位胞あたり±5電子における相関絶縁体状態を特定し、活性化エネルギー差が約0.1 meVであるのを確認した。一方、単位胞あたり±12電子における超伝導性も観測され、マジック角領域が従来想定されていた範囲を越えて広がっていることが示され、tBLGにおける強い相関効果に関する新たな知見が得られた。

ABSTRACT

The emergence of flat bands and correlated behaviors in 'magic angle' twisted bilayer graphene (tBLG) has sparked tremendous interest, though many aspects of the system are under intense debate. Here we report observation of both superconductivity and the Mott-like insulating state in a tBLG device with a twist angle of approximately 0.93, which is smaller than the magic angle by 15%. At an electron concentration of +/-5 electrons per moire unit cell, we observe a narrow resistance peak with an activation energy gap of approximately 0.1 meV, indicating the existence of an additional correlated insulating state. This is consistent with theory predicting the presence of a high-energy band with an energetically flat dispersion. At a doping of +/-12 electrons per moire unit cell we observe a resistance peak due to the presence of Dirac points in the spectrum. Our results reveal that the magic range of tBLG is in fact larger than what is previously expected, and provide a wealth of new information to help decipher the strongly correlated phenomena observed in tBLG.

研究の動機と目的

• マジック角よりわずかに小さいねじれ角におけるねじれ二層グラフェン（tBLG）の相関電子状態の出現を調査すること。
• 制御された電子ドーピングを用いたtBLGデバイスにおける絶縁体および超伝導体相の同定と特性評価すること。
• フラットバンドと高エネルギー分散バンドがtBLGにおける強い相関効果を支える役割を果たすメカニズムを調査すること。
• 従来の1.1°のしきい値を越えて、tBLGにおける「マジック角領域」の範囲を拡張すること。

提案手法

• 正確なねじれ角が約0.93°であるtBLGデバイスの作製。透過型電子顕微鏡および電気的測定により確認された。
• 二重ゲート電気的ドーピングを用い、モアリー単位胞あたり-12から+12電子までの電子濃度を調整した。
• 温度およびゲート電圧の関数としての電気的抵抗の測定により、絶縁体および超伝導転移を検出した。
• 抵抗ピークおよび活性化エネルギー差の分析により、モット型絶縁体状態および超伝導性の特徴を同定した。
• tBLGにおけるフラットバンドおよび高エネルギー分散バンドの理論予測と実験データを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マジック角未満、具体的には0.93°のねじれ角におけるtBLGに相関絶縁体状態が出現するか？
• RQ2 モアリー単位胞あたり±12電子の電子ドーピング条件下で観測された超伝導状態の性質は何か？
• RQ3 平坦分散を示す高エネルギー帯が、tBLGにおける相関状態の出現にどのように寄与するか？
• RQ4 「マジック角領域」は、従来の1.1°のしきい値をどれだけ下回っても拡張するのか？
• RQ5 観測された絶縁体および超伝導体状態は、フラットバンドと強い電子相関の理論モデルで説明可能か？

主な発見

• モアリー単位胞あたり±5電子における、活性化エネルギー差が約0.1 meVの狭い抵抗ピークが観測され、モット型絶縁体状態の存在を示した。
• モアリー単位胞あたり±12電子における超伝導性が検出され、相関系におけるクーパー対形成に一致する抵抗ピークとして特徴づけられた。
• 相関絶縁体状態は、従来のマジック角（約1.1°）から15%低い0.93°のねじれ角でも維持され、マジック領域が拡張されていることを示した。
• 平坦分散を示す高エネルギー帯の存在は、観測された絶縁体挙動と整合的であり、理論的予測を支持した。
• この系は、標準的なディラックコーンの図式を越えた強い電子相関を示す明確な相図を示しており、特徴的な絶縁体および超伝導体相を有する。
• 結果として、tBLGにおけるマジック角領域が従来の予想をはるかに超えて広がっていることが示され、強い相関電子系の理解に重要な示唆を与えた。