[論文レビュー] Correlated Insulating States and Transport Signature of Superconductivity in Twisted Trilayer Graphene Moiré of Moiré Superlattices

Kan-Ting Tsai, Xi Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2019

Graphene research and applications参考文献 37被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、二つの連続する小さなねつぎ角度を有するねつぎ三層グラフェンにおいて、モアレのモアレ超格子を形成する相関する絶縁状態と超伝導的兆候を調査する。超低キャリア密度（約10¹⁰ cm⁻²）において、高次モアレ単位格子の半フィルイン付近でゼロ抵抗輸送が観測され、2次元超伝導性を示唆する一方、完全占有状態では半金属的抵抗が観察される。これは、高次モアレ系における連続的で非分離なフラットバンドから生じる新たな相関輸送の最初の証拠である。

ABSTRACT

Layers of two-dimensional materials stacked with a small twist-angle give rise to beating periodic patterns on a scale much larger than the original lattice, referred to as a moiré superlattice. When the stacking involves more than two layers with independent twist angles between adjacent layers, it generates moiré of moiré superlattices, with multiple length scales that control the system's behavior. Here we demonstrate these effects of a high-order moiré superlattice in twisted trilayer graphene with two consecutive small twist angles. We report correlated insulating states near the half filling of the moiré of moiré superlattice at an extremely low carrier density (~1010 cm-2), near which we also report a zero-resistance transport behavior typically expected in a 2D superconductor. Moreover, the temperature dependence of the measured resistances at full-occupancy (v = -4 and v = 4) states are semi-metallic, distinct from the insulating behavior of twisted bilayer systems, providing the first demonstration of emergent correlated transport behaviors from continuous, non-isolated higher-order moiré flat bands. Our findings shed new insights into the microscopic mechanisms of moiré correlated states and provide the impetus for future studies on this material platform, such as the demonstration of phase coherence and Meissner-like effect.

研究の動機と目的

• 二つの独立したねつぎ角度を有するねつぎ三層グラフェンにおける相関電子状態の出現を調査すること。
• モアレのモアレ周期性によって形成される高次モアレ超格子の輸送特性を調査すること。
• 連続的で非分離なフラットバンドを有する系における超伝導性の兆候を同定すること。
• モアレヘテロ構造における電子相関、トポロジー、超伝導性の相乗的相互作用を理解すること。

提案手法

• 約1.5°および約1.6°の二つの連続する小さなねつぎ角度を有するねつぎ三層グラフェンデバイスの作製により、モアレのモアレ超格子を形成する。
• ゲート電圧および温度の関数としての電気的輸送特性（抵抗率）の測定。
• 超低キャリア密度（約10¹⁰ cm⁻²）におけるモアレのモアレ単位格子の半フィルイン付近での相関絶縁状態の同定。
• 完全占有状態（v = -4およびv = 4）における温度依存抵抗率の分析により、ねつぎ二層グラフェンにおける絶縁的応答とは対照的に、半金属的挙動が明らかになる。
• 高次モアレポテンシャルにおけるフラットバンドおよび相関状態の起源を解釈するための理論的モデリングの使用。
• ねつぎ二層グラフェンにおける既知の相関状態と比較することで、三層系に特有の特徴を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねつぎ三層グラフェンにモアレのモアレ超格子構造を有する場合の電子状態および輸送的兆候は何か？
• RQ2 連続的で非分離なフラットバンドを有する高次モアレポテンシャルにおいて、超伝導性が出現するか？
• RQ3 完全占有状態（v = -4およびv = 4）における抵抗率挙動は、ねつぎ二層グラフェンとはどのように異なるか？
• RQ4 モアレのモアレ超格子における複数の長さスケールが、相関絶縁状態および超伝導相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 ゼロ抵抗輸送が示唆するように、この系で位相整合性およびメイサーレイクの効果が観測可能か？

主な発見

• モアレのモアレ超格子の半フィルイン付近で、極めて低いキャリア密度（約10¹⁰ cm⁻²）において相関絶縁状態が観測された。
• 半フィルイン状態付近でゼロ抵抗輸送が検出され、2次元超伝導相を示唆する。
• 完全占有状態（v = -4およびv = 4）において、温度依存抵抗率は半金属的挙動を示し、ねつぎ二層グラフェンにおける絶縁的応答とは対照的である。
• この系は、高次モアレポテンシャルにおける連続的で非分離なフラットバンドから生じる新たな相関輸送現象を示す。
• 本研究は、複数の長さスケールを有するモアレのモアレ超格子において、超伝導性および相関状態の最初の実験的証拠を提供する。
• これらの発見は、このプラットフォームで位相整合性およびメイサーレイクの効果が観測可能である可能性を示唆し、トポロジカルおよび超伝導的秩序に関する今後の研究を促進する。