[論文レビュー] Emergent Superconductivity in the weak Mott insulator phase of bilayer Graphene Moiré Superlattice

Xiao-Chuan Wu, Kelly Ann Pawlak+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2018

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、ねじれステートバイレイヤーグラフェンの弱いモット絶縁体相における発現的超伝導のメカニズムとして、強い電子相関とモアレスーパーラティスの二次元性の相乗効果を提案する。SU(4)対称性を持つスピン・トリプレット対称性を Hund の結合が促進する二軌道 Hubbard モデルを三角格子上に構築し、スピン密度波秩序がフェルミ面をギャップ開くことで弱いモット絶縁体が形成されることを示す。低温では、残存する対称性の揺らぎが超伝導を誘発し、転移温度 Tc ≈ 1 K に至る。

ABSTRACT

We propose a phenomenological understanding of the recently discovered weak Mott insulator in the moiré superlattice of twisted bilayer graphene, especially the emergent superconductivity at low temperature within the weak Mott insulator phase, namely while lowering temperature, the longitudinal resistivity first grows below temperature $T_m$, but then rapidly drops to zero at even lower temperature $T_c$. An emergent superconductor in an insulator phase is very unusual. Here we propose that this phenomenon is due to the pure two-dimensional nature of the bilayer graphene moiré superlattice. We also compare our results with other theories proposed so far.

研究の動機と目的

• ねじれステートバイレイヤーグラフェンにおいて、低温で見られる弱いモット絶縁体的挙動と発現的超伝導の非自明な共存を説明すること。
• Tm ≈ 4–5 K で抵抗率が上昇するが、その後 Tc ≈ 1 K でゼロに低下する現象が、同じ相内でどのように生じるかを理解すること。
• 強い相関効果やディラック物理学を必要とせず、フェルミ面のネストと秩序パラメータ形成によって弱いモット絶縁体を理解できることを示すこと。
• 系の二次元性と Hund の結合による SU(4) 対称性の破れが、絶縁相内でのスピン・トリプレット超伝導不安定性を可能にすることを示すこと。

提案手法

• 二つのバルク状態に対応する二軌道の拡張 Hubbard モデルを、モアレスーパーラティスを記述するために三角格子上に定式化する。
• 負の Hund の結合が促進するスピン・トリプレット、バルク・スイングル状態を導入し、非同一スピン密度波秩序を安定化する。
• 外部ゼーマン場によって変形された標的多様体を持つ非線形スピンモデル（NLSM）を用いて、非同一スピン秩序とその幾何的フローを記述する。
• NLSM の計量にリッチィ・フロー形式を適用し、Zeeman 場による異方性の効果を捉えた結合定数 g1 と g2 のレノルミゼーション群（RG）フローを導出する。
• Zeeman 場が秩序状態を支持する点 X_i = 0 における RG フローを解析し、臨界スケーリング行動と超伝導への不安定性を抽出する。
• モデルの予測を、Tm 以下で抵抗率が上昇し、Tc 以下でゼロに低下する実験的抵抗率データと比較し、絶縁相内に超伝導が発現することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 絶縁体は通常超伝導対称性を抑制するが、なぜねじれステートバイレイヤーグラフェンのモット絶縁体相内で超伝導が発現するのか？
• RQ2 Tm ≈ 4–5 K で抵抗率が上昇するが、その後 Tc ≈ 1 K でゼロに低下する現象は、どのようにして絶縁状態内での超伝導不安定性を示すのか？
• RQ3 モアレスーパーラティスの二次元性が、弱いモット絶縁体における超伝導を可能にする役割を果たすのか？
• RQ4 有限運動量の秩序パラメータによるスピン・トリプレット対称性とフェルミ面ネストの相乗効果が、安定な絶縁状態を形成し、同時に超伝導揺らぎに感受性を示す仕組みは何か？
• RQ5 非フェルミ液体状態にスピン密度波秩序が存在し、その中で発現的超伝導が支持されるという抵抗率挙動を説明できるか？

主な発見

• ねじれステートバイレイヤーグラフェンの弱いモット絶縁体相は、スピン・トリプレット、バルク・スイングル秩序によってフェルミ面がネストとブリユアンゾーンの折りたたみによってギャップ開かれることで安定化される。
• 系は Tm ≈ 4–5 K で抵抗率ピークを示し、その後 Tc ≈ 1 K で急激にゼロに低下する。これは絶縁相内に発現的超伝導が生じることを示している。
• 超伝導不安定性は、スピン・トリプレットチャネルにおける残存する対称性の揺らぎによって駆動され、スピン密度波秩序形成後も依然として活性である。
• RG フロー解析により、結合定数 g1 と g2 がリッチィ・フローに従って変化し、同じエネルギースケールで対数的に発散することが判明。これは超伝導への量子相転移を示唆する。
• 弱い磁場による超伝導の抑制を説明できる。SC が抑制された場合、低温で抵抗率がさらに増加し、系が通常のモット絶縁体であることが確認される。
• 結果は微視的詳細に強く依存せず、ディラックバンドの交差や特定のバルク秩序を必要とせず、フェルミ面物理学と Hund の結合による対称性の破れに依存している。