[論文レビュー] Crossover between Strongly-coupled and Weakly-coupled Exciton Superfluids

Xiaomeng Liu, J. I. A. Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 39被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、磁場下におけるグラフェン二重層を用いて、固体系で初めてBCS-BEC遷移を実験的に実現した。層間距離と磁場を調整することで、磁気励起子の対結合強度を連続的に制御し、弱い結合BCS的から強い結合BEC的への滑らかな超流動転移を観測した。Coulombドラッグおよび反対流抵抗の測定から明確な特徴が得られた。

ABSTRACT

In fermionic systems, superconductivity and superfluidity are enabled through the condensation of fermion pairs. The nature of this condensate can be tuned by varying the pairing strength, with weak coupling yielding a BCS-like condensate and strong coupling resulting in a BEC-like process. However, demonstration of this cross-over has remained elusive in electronic systems. Here we study graphene double-layers separated by an atomically thin insulator. Under applied magnetic field, electrons and holes couple across the barrier to form bound magneto-excitons whose pairing strength can be continuously tuned by varying the effective layer separation. Using temperature-dependent Coulomb drag and counter-flow current measurements, we demonstrate the capability to tune the magneto-exciton condensate through the entire weak-coupling to strong-coupling phase diagram. Our results establish magneto-exciton condensates in graphene as a model platform to study the crossover between two Bosonic quantum condensate phases in a solid state system.

研究の動機と目的

• 固体状態の電子系においてBCS-BEC遷移を実験的に示すこと。
• 電子超伝導体における対結合強度を連続的に調整するという長年の課題を克服すること。
• 原子スケールの絶縁性バリアを有するグラフェン二重層ヘテロ構造を、ボソン的凝縮の量子相転移を研究するための可変プラットフォームとして確立すること。
• 遷移領域全域における超流動転移温度 $T_c$ および対結合温度 $T_{pair}$ の測定と特徴付け。
• 温度依存のCoulombドラッグおよび反対流輸送測定を用いて、励起子凝縮の性質を解明すること。

提案手法

• 原子的に薄い六方晶窒化ホウ素（hBN）バリアで分離されたグラフェン二重層を用い、可変な量子ホール二層系を形成した。
• 垂直磁場を印けてLandau準位を形成し、バリアをはさんで電子・正孔対が形成される磁気励起子を生成した。
• 有効な層間距離 $d$ と磁場 $B$ を変化させ、対結合相互作用強度 $U$ をフェルミエネルギー $E_F$ に対して連続的に調整した。
• 超流動転移および対結合の開始を調べるために、温度依存のCoulombドラッグ抵抗および反対流抵抗を測定した。
• 磁場長さ $ au_B$ を用いた $d/ au_B$ を制御パラメータとして用い、弱い結合から強い結合への相図をマッピングした。
• 反対流抵抗の温度微分を解析し、データに明確な特徴を持つことから、$T_c$（超流動転移）および $T_{pair}$（対結合開始）を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子系の固体状態系において、対結合強度を連続的に調整可能にBCS-BEC遷移を実験的に達成できるか？
• RQ2 対結合強度を弱い結合から強い結合へ調整する際、超流動転移温度 $T_c$ および対結合温度 $T_{pair}$ はどのように変化するか？
• RQ3 磁気励起子超流動体において、BCS的およびBEC的領域を区別する輸送的特徴は何か？
• RQ4 弱い結合から強い結合への遷移は連続的であるか、それとも急激な相転移を示すか？
• RQ5 この系において、相の剛性およびトポロジカル励起子（例：メロン）は、輸送測定によってプローブ可能か？

主な発見

• 超流動転移温度 $T_c$ は $d/\ell_B$ の増加に伴い単調に減少し、強い結合から弱い結合への滑らかな変化を示した。
• 対結合温度 $T_{pair}$ は、ホールドラッグ抵抗が量子化値の半分に低下する点として特定され、$d/\ell_B$ の増加に伴い減少しており、対結合強度の低下と整合的であった。
• 3.7 nmデバイスでは、低温および高磁場領域で微分反対流抵抗に明確な臨界電流挙動が観測され、超流動の開始を示した。
• 低磁場（例：13 T）では臨界電流の欠如が観測され、より無秩序的または弱い超流動状態であることが示唆され、弱い結合領域と整合的であった。
• 相図は三つの明確な領域（領域I：凝縮した超流動体、領域II：通常の励起子、領域III：自由な電子および正孔）を示しており、$T_c$ および $T_{pair}$ で定義された明確な境界が存在した。
• BCS的からBEC的挙動への連続的遷移が観測され、一次相転移の兆候は一切なく、理論的予測である固体系における滑らかな遷移が実証された。